摘要：变形物质在自然和工程中都很有趣。形状变化会改变材料的特性和功能，在自适应结构、医疗设备、可穿戴电子设备和软机器人等领域有广泛的应用。例如，一张薄的二维（2D）薄片可以变成具有可编程非零高斯曲率的复杂三维表面。这种转变可以通过编程复合图案、在活性材料中引起不均匀
第一作者：Yinding Chi
通讯作者：Jie Yin，Joseph B. Tracy
通讯单位：北卡罗来纳州立大学
DOI: 10.1126/sciadv.adr8421
变形物质在自然和工程中都很有趣。形状变化会改变材料的特性和功能，在自适应结构、医疗设备、可穿戴电子设备和软机器人等领域有广泛的应用。例如，一张薄的二维（2D）薄片可以变成具有可编程非零高斯曲率的复杂三维表面。这种转变可以通过编程复合图案、在活性材料中引起不均匀的膨胀或扩张以响应外部环境刺激，或者通过在折纸和剪纸结构中设计特定的折叠或切割图案来实现。例如，一张薄片可以通过水凝胶中的各向异性平面内或厚度方向的膨胀变成穹顶或马鞍形状，由温度、光、pH 值或电场的变化触发。类似的形状变化也可以通过拉伸带有图案切割的剪纸薄片来实现。然而，一旦变形，在不改变规定的膨胀或切割图案的情况下重新编程和动态改变这些形状仍然具有挑战性。此外，软变形材料在高结构顺应性（有助于对动态变化的刺激具有可变形性和形状适应性）和高刚度（在变形期间和之后实现承载能力以实现多功能性）的需求之间存在矛盾。
为了解决兼具形状可重编程性和高刚度的软形状变形材料所面临的挑战，最近的研究引入了一种基于软硬复合夹心晶格的机器人表面，用于可重编程的形状变形和物体操纵。形状变形是通过热响应液晶弹性体（LCEs）利用焦耳热来驱动的。顶部和底部的软 LCE 层中的热驱动使夹在它们之间的硬聚合物带状网络发生屈曲，从而实现形状转变和承载能力。然而，尽管有这些进步，该系统需要一个坚硬的带状网络来大幅提高 LCEs 的刚度以支撑负载，以及多个连接到电力系统的控制通道，这使得形状变形和操纵的控制变得复杂。
在环境刺激中，磁场为软材料的动态形状变形提供了一个有前景的解决方案，因为它们是远程的、响应迅速且易于控制。尽管有这些能力，但在软磁变形材料中，重新编程动态形状变化以及解决高变形性和刚度之间的矛盾仍然是有待解决的挑战。关于如何在动态变化的磁场下重新编程可控制的时空动态形状变化和在磁响应薄片上的传播，以及如何利用它进行刚度调制和实现功能，目前的探索还很少。
本文亮点
1. 本工作报告了一种具有高可变形性和刚度的动态时空形状变换剪纸穹顶超材料薄片，它能快速响应动态变化的磁场。
2. 磁性剪纸穹顶的拱高是其连续无切口对应物的两倍以上，弯曲曲率是其 1.5 倍，结构刚度提高了七倍。
3. 该超材料薄片实现了全向拱起以及多模态平移和旋转波浪状形状变换，能在 2 毫秒内快速响应变化的磁场。
4. 利用动态形状变换和与物体的自适应交互，展示了其在体素化动态显示器以及无需抓取的非磁性物体的远程磁多模态定向和旋转操作中的应用。它显示出超过自身重量 40 倍的高负载运输能力，以及在处理不同材料（液体和固体）、尺寸、形状和重量的物体方面的多功能性。
图文解析
图1. 具有高变形性和高刚度的磁性剪纸穹顶。（A）在气压_P_下将带有正交图案切口的磁性剪纸圆盘充气成穹顶形状的示意设置。插图显示了磁性剪纸圆盘的照片。比例尺，1.5 毫米。（B）在相同的充气压力_P_=33 千帕下，充气后的磁性剪纸穹顶（i）及其对应的无切口连续穹顶（ii）的俯视图（示意图，_xy_平面）和正视图（照片，xz_平面），随后在沿_z_轴相同的均匀磁场强度_M_≈1.23T 下进行磁化。比例尺，1.5 毫米。（C）在沿_z_轴相同的施加磁场_B=938 毫特下，垂直驱动的剪纸穹顶（i）和连续穹顶（ii）的照片（正视图，xz_平面），如顶行示意所示。比例尺，1.5 毫米。（D）在相同的充气和磁化状态下，单个磁性剪纸穹顶与其无切口连续对应物之间，作为_B_的函数的驱动穹顶高度 hB 的实验和理论结果比较。（E）当施加磁场_B_开启和关闭时，有 / 无切口的单个磁性穹顶的压痕力和位置（f-p）曲线比较。插图显示了在相同垂直磁场（B=152 毫特）下进行压痕测试的示意实验设置。（F）展示 5×5 磁性剪纸穹顶超材料薄片（i）的高负载提升和承载能力。在施加_B=172 毫特时，该超材料薄片（1.5 克）可以在 2.5 毫米的高度提升 43.1 克的重量。在相同磁场下，磁性连续穹顶超材料薄片保持平坦且无法提升相同物体（ii）。比例尺，5 毫米。EXP，实验；SIM，模拟。
图2. 在变化方向磁场下磁性剪纸穹顶中的全向隆起。（A）在相同的 B = 645mT 但不同角度 α = 50°（i）、50°（ii）、180°（iii）和−130°（iv）下定向驱动的剪纸穹顶的照片（正视图，xz_平面），如顶行所示。施加的 B 与圆盘法向方向_n_之间的角度记为 α。比例尺，1.5 毫米。（B）由离散段和顶点组成的简化磁性剪纸条模型的示意图。它显示了一个代表性段的受力图，标有五个力，包括向下作用的重力 FG（黑色）、垂直于条施加的气压 FP（橙色）、弹性伸长（压缩）力 FE,n±（绿色）、垂直于条的恢复弯曲力 FS,n±（蓝色）以及来自磁转矩的磁力 FM,n±（红色）。当薄膜向平衡松弛时，一个粘性流体力（未显示）与每个段的速度相反以阻尼运动。插图：力计算中使用的法向（n̂）和切向（t̂−，t̂+）单位向量的定义。（C）膨胀和磁化以及随后的放气过程的模拟结果。红色箭头表示磁化轮廓_M。比例尺，1.5 毫米。（D）在相同的 B = 645mT 但不同角度 ααα = 0°（i）、40°（ii）、180°（iii）和−130°（iv）下理论预测的驱动剪纸穹顶横截面形状。比例尺，1.5 毫米。蓝色箭头表示外部磁场的方向。
图3. 磁性剪纸穹顶超材料片中的时空动态形状变化。(A) 形状变化超材料片平台的示意图，带有一个连接的刚性支架，以消除拉力和相邻穹顶之间的连接相互作用。(B) 当一排局部图案化的柱状磁铁在下方移动时，超材料片中被驱动的移动字母 “C” 状图案的示意图设置。为了清晰起见，未显示 S 取向磁铁引起的向下穹顶。(C) 当一排具有交替取向的九个条形磁铁在下方移动时，超材料片中由向上和向下穹顶组成的定向波传播的示意图设置。(D) 当一个旋转的胶囊状磁铁在下方顺时针旋转时，超材料片中由向上和向下穹顶组成的旋转波传播的示意图设置。(E) 单个磁性剪纸穹顶对向右移动的磁场（九个具有交替取向的条形磁铁在下方移动）响应的周期性动态形状变化的理论建模结果。移动磁铁会改变磁场的大小（B）和方向（β）。比例尺为 1.5 毫米。
图4. 在一个时间段 Tp 内，磁性剪纸穹顶超材料薄片中的动态形状变化过程是对下方移动和旋转的磁体的响应。（A 至 C）其形状变化过程的时间推移顶视图示意图（上）和照片（下），分别在向右移动的柱状（A）和条状（B）磁体阵列以及顺时针旋转的胶囊状磁体（C）的驱动下。Tp = 0.4 秒（A）、0.7 秒（B）和 18.7 毫秒（C）。（C）中的白色箭头表示旋转轴。比例尺为 5 毫米。
图5. 超薄片在无需抓取的情况下对非磁性固体珠子和水滴进行远程磁多模态操纵的应用。（A）在图案化的 C 形柱状磁体阵列在下方平移时，对塑料珠子进行多路径操纵的示意图。比例尺为 5 毫米。（B）按照预定义的 “L” 形路径将塑料珠子从左上运输到下的过程的时间推移顶视图照片。比例尺为 5 毫米。（C）在图案化的柱状磁体扩展阵列下，超薄片上同时运输两个珠子的过程的时间推移顶视图照片，如插图所示。比例尺为 5 毫米。（D）在超疏水涂层的超薄片上对单个和多个液滴进行多模态操纵的示意图。（E）染成黄色的 50 微升水滴位于超疏水涂层的超薄片上而不渗透的前视图照片。比例尺为 2 毫米。（F）按照预定义的之字形路径将约 50 微升的水滴从下运输到左上的过程的时间推移顶视图照片。比例尺为 5 毫米。（G）通过单独远程操纵将两个不同颜色的水滴（黄色水滴约为 30 微升，浅蓝色水滴约为 50 微升）合并为一个大水滴的过程的时间推移顶视图照片。比例尺为 5 毫米。（H）在图案化的柱状磁体扩展阵列下，超薄片上同时运输和合并两排三个对齐的不同大小的红色水滴的平行阵列的过程的时间推移顶视图照片。两个约 50 微升的大水滴沿着期望的路径依次与小水滴（10 到 20 微升）合并和收集。比例尺为 5 毫米。
图6. 超材料薄片在无需抓取的情况下对各种非磁性固体物体进行远程磁多模态操纵的应用。（A）在一组 12 个交替取向的条形磁铁向左移动的情况下，超材料薄片上的轻质矩形木板（48 毫米 ×20 毫米 ×2 毫米，0.5 克）在一个周期（Tp = 3.18 秒）内从左向右定向运输过程的延时照片。比例尺为 5 毫米。（B 至 E）不同形状、材料和尺寸的非磁性物体在超材料薄片上从左向右定向运输过程的延时顶视图照片，包括星形木板（B）、载玻片（C）、大片树叶（D）和 3D 薯片（E）。比例尺为 5 毫米。（F）举起并运输重物的图示，超材料薄片（1.5 克）上堆叠着五个装有塑料珠的培养皿（53.8 克）。比例尺为 5 毫米。（G）平均步长（一个周期内移动的距离）与碟形物体承载负荷之间的关系。
图7. 超表面在由旋转磁体驱动的无需抓取的非磁性物体远程磁旋转操纵中的应用。（A）顶部：胶囊状磁体顺时针旋转的示意图。底部：不同重量的盘状物体的驱动旋转速率与驱动胶囊状磁体的旋转速率的函数关系。（B 和 C）在胶囊状永磁体（1000 转 / 分）顺时针旋转下，超表面上的空培养皿（6.8 克）和装有塑料珠的培养皿（13.4 克）被驱动逆时针旋转运动的时间推移顶视图照片。比例尺，5 毫米。
来源：华算科技
