学术分享 I 关于利用墨水直写3D成型技术进行仿生快速响应磁控可调刚度超材料的研究

发布时间：2025-09-09 浏览量：分享到：

仿生快速响应磁控可调刚度超材料

来源：Advanced Materials 2025 年第 2505880 号文章 | DOI: 10.1002/adma.202505880

研究背景

可编程机械材料需动态改变刚度，但现有方案响应慢、精度低，且多局限于二维“开/关”二元控制，难以三维空间实时调控。化学或相变驱动速度慢，磁场驱动常因采用磁流变液而需高场强且调制幅度有限。开发低场强、快速、大范围、三维可编程的刚度可调超材料成为迫切需求。

研究内容

仿生设计：受骨骼肌“肌节”结构启发，提出磁控刚度超材料（MTSM）单元，无磁场时呈“松弛”低刚度态；施加磁场后内部铰链向内旋转“锁死”，模拟肌节收缩高刚度态。
4D 打印制备：直写成型 NdFeB/SIS 复合墨水，打印后 2.7 T 脉冲磁场定向充磁，获得高弹-强磁响应三维微结构。
三态编程：通过改变磁场方向/强度，实现单元“软-中-硬”三态快速切换，刚度跨度＞390 %，响应时间 ≤0.17 s。
三维阵列：3×3×3 阵列化后，利用磁场梯度实现层间刚度梯度调控，可承受 60 kg 压缩载荷而无失效。
概念验证：制作自适应车轮，崎岖路面切换软态越障，平坦路面切换硬态稳行，验证旋转工况下 90 rpm 内可靠切换。

图1 设计概念

MTSM 设计灵感与三态编程概念。 a) 肌节松弛/收缩与超材料软/硬对应； b) 通过磁场方向实现单元三态组合，获得可编程三维刚度分布。

图2 材料制备与性能

4D 打印磁活性材料。 a) 打印-充磁两步工艺； b) 墨水剪切变稀； c) 储能与损耗模量； d) 剩磁 50 emu g⁻¹、矫顽力 700 mT； e) 拉伸模量 ≈400 kPa，断裂伸长＞900 %。

图3 单元力学响应

单单元三态压缩行为。 a) 三态示意； b) 铰链厚度与临界磁场关系； c) 磁场方向-状态相图； d) 实验变形序列； e) 对应应力-应变曲线； f) 300 周期循环稳定性。

图4 三维阵列多轴刚度调控

3×3×3 阵列。 a)-b) 沿 z 轴梯度场实现层状刚度组合； c)-d) 沿 x 轴引入中态； e)-f) 三轴磁场协同控制 27 单元任意刚度分布。

图5 自适应车轮演示

MTSM 刚度可调车轮。 a) 概念：软态越障、硬态稳行； b) 爆炸视图； c) 三态变形对比（0.88 N 载荷）； d) 连续越障实验，N/S 极切换实现软/硬实时转换。

研究结论

提出并验证仿生三态磁控刚度超材料，通过结构设计实现低场强（30 mT 级）超大范围（＞390 %）刚度快速（≤0.17 s）切换。
4D 打印 NdFeB/SIS 复合材料，断裂伸长＞900 %，疲劳寿命＞600 周期。
三维阵列化后，可利用磁场方向/强度实现层间/空间刚度梯度编程，承载 60 kg。
自适应车轮证实系统在旋转动态工况（≤90 rpm）下可靠工作，为软体机器人、智能轮胎、可穿戴辅助装置等提供新范式。
未来需进一步优化能量效率、环境稳定性与规模化制造，以推进实际工程应用。

论文信息

标题：Bioinspired, Rapidly Responsive Magnetically Tunable Stiffness Metamaterials
期刊：Advanced Materials (2025)
DOI：10.1002/adma.202505880
作者：Gooyoon Chung, Huy Le Quang, Jung Hyun Kim, Jeongmin Yoo, Seung Kwon Seol*, Yoonseok Park*

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