磁致阻塞：基于软磁复合材料的无线可编程刚度调控新机制

《Nature Communications》：Jamming with magnetic composites

本文推荐一项关于无线磁控阻塞技术的前沿研究。针对传统阻塞结构需有线连接（如真空管路）限制可重构性与微型化的问题，研究团队提出利用软磁复合材料实现远程磁控阻塞的新机制。通过设计具有可编程磁化方向的复合子单元，实现了线性、平面及三维结构的定向阻塞与形状锁定，建立了磁-力学行为模型。该工作为在人体狭窄腔道等受限环境应用的医疗机器人提供了无需导线的自适应刚度调控方案。

　　

在机器人技术领域，阻塞转变（jamming transition）现象一直备受关注——它能使材料聚集态在类流体与类固体之间实现可逆转换，从而赋予结构可编程的刚度与阻尼特性。传统阻塞技术依赖真空负压或电压驱动，需通过管路或导线连接外部设备，这不仅限制了结构的可重构性和运动自由度，更阻碍了在人体内部等狭窄环境中的微型化应用。如何实现无线、可定向调控的阻塞机制，成为软体机器人走向临床转化的核心挑战之一。

针对这一难题，苏黎世联邦理工学院Buse Aktas领衔的国际团队在《Nature Communications》发表突破性研究，提出了一种基于软磁复合材料的无线磁控阻塞新范式。该研究通过精巧设计复合子单元的磁各向异性，实现了仅通过外部磁场即可远程诱导的多维阻塞行为，为可重构医疗机器人提供了全新的技术路径。

研究团队采用的关键技术方法包括：通过振动样品磁强计表征软磁材料磁滞回线；利用八线圈电磁导航系统（OctoMag）实现五自由度磁场的精确控制；结合三维力传感器与定制化力学测试平台量化阻塞结构的力-位移特性；采用COMSOL多物理场仿真分析复合材料的有效磁化率（χ_eff）；运用微加工技术（水射流切割、硅胶模具铸造）制备具有特定磁柱图案的304不锈钢/环氧树脂复合材料。

软磁复合材料设计实现可控阻塞

研究核心在于设计包含软磁材料（304不锈钢）与非磁性基体（环氧树脂）的复合子单元。通过定向排列磁柱结构，使子单元沿预设阻塞方向形成易磁化轴。当施加外磁场时，相邻子单元间产生磁吸引力从而实现阻塞；撤去磁场后，因软磁材料低剩磁特性，结构可恢复柔性状态。图1所示的漏斗实验生动展示了这种机制在三维空间的可控性：磁场存在时链状结构可抵抗重力保持刚性，磁场消失后立即坍塌。

复合子单元磁化行为的精准调控

研究发现子单元的有效磁化率（χ_eff）取决于磁柱长径比、间距及磁材料体积分数等多重因素。在磁滞回线线性区域（图2a），磁化强度与磁场强度呈正比，使阻塞力可实现远程连续调节。仿真与实验证实：给定磁体积时，高长径比磁柱可提升磁化效率；但过密排布会因内部退磁场效应降低性能。特别值得注意的是，复合设计使自由站立子单元能沿任意预设方向磁化，突破了传统软磁材料必须沿最长尺寸磁化的限制。

磁-力学行为的多模式解析

研究团队建立了完整的力学模型，揭示子单元间三种相互作用模式：滑动模式（sliding mode）中摩擦力主导行为，滑移力F_slip=μ_frictionF_attraction可通过磁场调节，且磁柱间距可编程化调控粘滑振荡特性；转动模式（pivoting mode）由磁吸引力与外部磁场扭矩共同作用，呈现独特的断裂后力值回升现象；分离模式（separating mode）则简化为纯磁吸引力平衡。通过将局部内力（拉伸力、剪切力、弯矩）与对应临界值比较，可准确预测多维结构在复杂载荷下的失效模式。

多向阻塞与各向异性刚度调控

创新性地在单子单元内预设多个易磁化轴（如交叉形磁结构），实现了磁场方向依赖的选择性阻塞。如图4所示，通过改变磁场方向，可独立激活x、y轴或同时激活二维阻塞。三维聚集体能形成线、面、体等不同维度的力链网络，结合几何约束还可利用子单元间排斥力增强刚度调控能力。这种多自由度控制能力被应用于各向异性可调刚度片材——通过单侧应变限制层约束子单元转动模式，实现了不同维度刚度的独立远程调节。

与环境交互的应用验证

研究通过三个案例展现在体应用的可行性：基于转动模式的磁阻塞夹爪（图5a）仅3毫米厚，可通过磁场强度控制抓取力、方向控制姿态、梯度场实现运动，完成L形路径下的微物体转运；扩张梁可在软环境中通过渐变刚度实现自锚定；分布式阻塞结构则演示了子单元在弹性介质中动态形成力链的能力，通过磁场重定向实现接触力的空间重构。这些案例凸显了磁阻塞技术与电磁导航系统结合的巨大潜力。

该研究建立的磁-力学模型为复杂阻塞结构的正向设计提供了理论基础，其模块化、可重构特性显著优于需密封外壳的真空阻塞方案。尽管完全无束缚子单元在动态环境中的重组精度等挑战仍待解决，但这项技术为微创手术机器人、细胞力学研究平台等领域开辟了新途径。特别是其与现有电磁导航系统的兼容性，使得在生物医学应用中实现毫米级可编程刚度调控成为可能，标志着阻塞技术从有线到无线演进的重要里程碑。