結(jié)構(gòu)可重編程的磁性超材料為生物醫(yī)學、柔性機器人技術(shù)帶來了希望

來自馬德里卡洛斯三世大學 （UC3M） 和哈佛大學的科學家們已經(jīng)通過實驗證明，可以重新編程具有磁性的創(chuàng)新人造材料（稱為超材料）的機械和結(jié)構(gòu)行為，而無需修改其成分。這項技術(shù)為生物醫(yī)學和軟機器人等領域的創(chuàng)新打開了大門。這項研究最近發(fā)表在《先進材料》雜志上，詳細介紹了如何通過使用分布在整個結(jié)構(gòu)中的柔性磁體來重新編程這些機械超材料。

“我們提案的創(chuàng)新之處在于將小型柔性磁體集成到旋轉(zhuǎn)菱形矩陣中，只需改變這些磁體的分布或施加外部磁場，就可以改變結(jié)構(gòu)的剛度和能量吸收能力。這賦予了傳統(tǒng)材料或自然界中不存在的獨特特性。

“當我們設計新材料時，我們通常會關(guān)注它們的化學成分和微觀結(jié)構(gòu)，但對于超材料，我們也可以玩弄它們的內(nèi)部幾何形狀和空間排列，”該研究的作者之一、來自 UC3M 連續(xù)介質(zhì)力學和結(jié)構(gòu)分析系的 Daniel García-González 解釋說。

玩00:00這一突破代表了朝著創(chuàng)建可重構(gòu)機械結(jié)構(gòu)邁出的重要一步，該結(jié)構(gòu)在機器人、沖擊保護和航空航天工程等領域非常有用。據(jù)研究人員稱，這種超結(jié)構(gòu)的應用幾乎是無限的。

“從軟機器人中的沖擊保護結(jié)構(gòu)和自適應組件到外骨骼中的智能減震系統(tǒng)。在運動領域，它們可用于通過融入其中的元素的相互作用來改變運動鞋鞋底的機械響應，使某些區(qū)域更加靈活或堅硬，以改善人或跑步者的腳步。

“生物醫(yī)學領域也出現(xiàn)了創(chuàng)新的可能性。例如，我們可以在阻塞的血管中引入這些結(jié)構(gòu)的修飾，并通過施加外部磁場來擴展矩陣以疏通它，“另一位研究人員 Josué Aranda Ruiz 指出，他也來自 UC3M 的連續(xù)介質(zhì)力學和結(jié)構(gòu)分析系。

玩00:00為了進行這項研究，UC3M 和哈佛大學的研究人員將不同材料的鑒定和表征與它們作為磁方向函數(shù)的行為分析相結(jié)合。

為此，他們研究了磁體的取向、剩余磁化強度和剛度如何影響超材料的靜態(tài)和動態(tài)響應，證明仔細的重新取向可以顯著調(diào)整其行為。然后，他們分析了它與大型結(jié)構(gòu)的集成以進行動態(tài)沖擊測試。

“通過修改磁體的位置來調(diào)制它們之間的磁相互作用，我們可以在材料中實現(xiàn)完全不同的行為，”該研究的另一位作者、UC3M 連續(xù)介質(zhì)力學和結(jié)構(gòu)分析系的第三位研究員 Carlos Pérez-García 補充道。