软多稳态磁响应超材料的可编程能量壁垒与远程驱动研究

本研究针对生物医学和软机器人领域中无线驱动软材料在无持续能量输入下难以维持多稳态几何构型的挑战，开发了基于全软材料的双稳态磁响应超材料。通过几何设计和磁编程实现了在机械/热应力下可逆转变的稳定状态，可承受10倍自重的压缩载荷，并展示了在受限空间内的远程流体输送能力，为可重构植入/可摄入设备提供了新范式。

　　

在生物医学和软机器人领域，如何实现无线驱动的软材料架构在无持续能量输入下维持稳定构型，一直是亟待突破的科学难题。现有磁驱动软材料虽能通过外部磁场实现形变，但需要持续场强维持（如临床8T磁场）或依赖温度/光调控，这严重限制了其在复杂生理环境中的应用。特别是在胃酸环境、血管压力等不可预测的机械/化学应力条件下，传统设计往往因缺乏几何稳定性或需要刚性组件而面临失效风险。

研究人员创新性地将双稳态几何结构与磁性软材料相结合，设计出由硅胶弹性体和钕铁硼（NdFeB）微颗粒构成的全软超材料单元。通过梯形支撑段（T.S.）和加强梁（R.B.）的独特构型，在800 kPa低模量材料中实现了6.2±0.7 mJ的高能量壁垒（E_tens）。磁编程技术使单元在非均匀磁场下可逆转变，并能抵抗13.7倍自重的压缩载荷。这种设计突破了传统磁软材料必须持续场强维持形变的限制，相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》。

关键技术包括：1）基于3D打印模具的软材料铸造工艺；2）脉冲磁化器（2T）实现磁畴编程；3）有限元（FE）模拟优化梁厚度（t/L）、角度（θ）和加强比（R）；4）狗骨试样力学测试验证材料参数；5）高速摄像记录0.15秒快速转变过程。

【软多稳态磁响应超材料】章节显示，通过调节t/L（0.1-0.2）、θ（50°-70°）和R（0-0.625）等参数，FE模拟预测能量壁垒可提升3倍。实验证实R=0.6的单元在2×8圆柱结构中展现选择性触发特性，仅需反转磁极即可实现[0]?[1]状态切换。

【编程稳定性】部分揭示，分级设计R值（0.6→0）的4×8圆柱体可实现54.8mm全行程扩展，而均质设计（R=0.6）因高力壁垒（F_comp=-1.43±0.04N）无法完全展开。高速影像显示其转变速度达6.7Hz，媲美现有最快磁驱动机器人。

【性能与应用】章节中，集成LED的 metamaterial 演示了密闭空间重构能力。更引人注目的是由8个1×3单元组成的蠕动泵，在6.4kPa（65cm H₂O）背压下保持零泄漏，最高可抵抗18.5kPa（189cm H₂O）压力，远超临床需求。

【动态环境稳定性】研究显示，该材料在-20°C至100°C范围保持功能，经受6.6m/s气流和97ml/s水流冲击后仍维持构型。特别在模拟胃液浸泡7天后，能量壁垒仅衰减15%，展现优异的化学稳定性。

【极端条件恢复】实验证实，175%拉伸应变（ε=1.4）仅造成单梁断裂，87kN冲击后仍保留51%能量壁垒。即使经历15秒明火灼烧，经磁畴重编程后完全恢复功能，仅磁性粒子需重新极化（T_C=306°C）。

这项研究通过几何多稳态与磁编程的协同设计，创造了首个全软材料的磁响应超材料体系。其突破性在于：1）无需持续能量输入维持形变；2）可编程能量壁垒实现选择性驱动；3）在极端机械/化学/热应力下保持功能。这为开发新一代可重构植入器械、智能药物递送系统和抗干扰软机器人提供了全新范式，特别是在胃内设备（如治疗胃轻瘫的经幽门支架）和血管介入器械领域具有重大应用前景。