可编程超材料:磁 - 热 - 力多场调控可编程力学超材料

第一作者单位：

上海交通大学

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202207349.

面向可重构结构应用的下一代主动式超材料，需具备响应迅速、无缆操控、可逆形变、可编程（多模态）变形能力，同时还需拥有形状锁定特性。在各类驱动调控方式中，磁控技术凭借响应速度快、可实现远程操控驱动的优势脱颖而出，但该技术存在一项显著缺陷 —— 需要持续施加磁场以维持材料的变形状态，这一短板严重限制了其在结构工程领域的实际应用。形状记忆聚合物（SMPs）所具备的形状锁定特性，恰好能够弥补磁控技术的这一不足。然而，形状记忆聚合物本身存在固有不可逆性，这又会制约其作为主动式超材料的可重构性能。此外，在已有的可编程调控方案中，激光辐照、电弧焊接等技术不仅需要输入大功率能量，还存在能量利用效率低下的问题，难以满足工程化应用的需求。针对上述多重技术瓶颈，本研究构建并验证了一套磁 - 热 - 力多场耦合调控工具。该工具通过向形状记忆聚合物施加磁 - 热 - 力耦合触发的预应力，并结合非对称磁力矩诱导的结构失稳效应，成功使单一材料体系同时实现无缆操控、可逆形变、低功耗可编程变形与形状锁定四项核心功能。本研究的核心创新点在于，实现了磁控技术与形状记忆聚合物热 - 力学行为两大物理机制的协同增效，整个调控过程无需合成新型材料，也不需要输入大功率能量即可完成可编程变形。这一技术方案为主动式超材料的研发开辟了全新路径，有望推动柔性高刚度软体机器人、多模态变形结构、力学计算器件等领域的技术革新，助力相关装备实现可逆化、可编程化的设计与应用。

本研究证实，借助形状记忆聚合物（SMP）的温敏刚度特性，以及由磁力矩实现精准调控的预应力，能够使单一形状记忆聚合物体系具备无缆操控、可逆形变、可编程变形的能力，同时还可实现稳定的形状锁定功能。研究团队通过磁矩的非对称排布设计，结合基于结构失稳效应的构型设计与形状记忆聚合物的回复特性，让晶格结构实现多模态、多场耦合的变形响应，且整个可编程变形过程无需额外输入能量。尤为关键的是，通过对磁力矩的局部调控，该体系可实现非均匀变形，进而构筑功能梯度结构 —— 这类结构是传统形状记忆聚合物全局调控方法（如模具定型、极限机械加载）难以制备的。本研究提出的磁 - 热 - 力多场耦合设计理念，能够大幅推动下一代主动式超材料的发展进程，助力其满足可重构结构领域的严苛应用需求，即实现响应迅速、无缆操控、可逆形变、可编程（多模态）变形与形状锁定的一体化功能。这种基于多物理场耦合的技术方案，在可重构结构设计领域实现了范式革新 —— 其核心优势在于，仅依靠结构力学设计即可达成目标性能，无需合成新型材料，也无需为可编程变形过程额外投入能量。这一创新的结构设计方案，为未来智能变形材料的研发开辟了全新分支，有望推动具备可逆变形、形状保持、无缆操控与高能效可编程特性的智能机器人材料的研制，为航空航天变形结构、柔性机器人、智能防护装备等领域的技术升级提供核心支撑。