铁磁灰度4D打印技术：单材料系统中软硬域协同编程实现高性能磁控形变

这篇综述创新性地提出铁磁灰度4D打印策略，通过数字光处理（DLP）技术结合灰度调控，在单材料系统中实现局部力学性能编程（剪切模量跨度735倍）与磁化方向协同控制。该技术突破传统多材料系统的局限，使结构兼具高负载能力（承重达自重42.6倍）和快速磁响应（2秒内完成87%形变），为软体机器人（soft robotics）、自适应结构和生物医学器件提供了新范式。

　　

铁磁灰度4D打印技术的突破与应用

2.1 铁磁灰度4D打印原理

研究团队开发了一种基于异冰片丙烯酸酯（IBOA）和2-羟乙基丙烯酸酯（2-HEA）的单体树脂体系，通过掺入钕铁硼（NdFeB）铁磁颗粒和气相二氧化硅流变调节剂，构建出具有磁响应的4D打印材料。该系统的核心创新在于利用数字光处理（DLP）打印中像素级灰度调控（如G00-G75），实现局部转化度（DoC）的精确控制——高灰度（G00）区域形成玻璃态聚合物（剪切模量24.5 MPa），低灰度（G75）区域则呈现橡胶态特性（模量0.033 MPa），从而在单材料中实现735倍的力学性能梯度。

2.2 磁控弯曲行为优化

通过建立δ/L=16/9×(MB/G)×(L/D)²的形变模型，研究发现双灰度设计（如G25₅₀G75₅₀）能突破传统单材料限制。当刚性域（G25）位于固定端而软域（G75）在自由端时，200 mT磁场下弯曲角达78°，较单一刚性材料提升98.6%。值得注意的是，即使软域仅占结构25%，其响应速度仍能在2秒内达到饱和形变的93%，且残余变形不足5%，这归因于铁磁颗粒的定向排列与粘弹性平衡。

2.3 动态响应特性

时间分辨实验显示，G75单灰度梁在0.3秒内即可完成69°弯曲，而双灰度结构通过刚性域（G25）的支撑，在保持快速响应（0.5秒达80%饱和形变）的同时，轴向承载能力提升42倍。这种特性解决了传统磁响应材料中"高模量-低形变"的矛盾，为需要快速动作与结构稳定性的应用（如微创手术器械）提供了新思路。

2.4 功能结构验证

在"M"形折叠结构中，通过有限元分析（FEM）优化软硬域比例（G75₁₀-G25₉₀），实现了可控的120°折叠角；而"U"形负载结构则通过双灰度设计，使临界屈曲载荷（P_cr=4π²EI/L²）提升3个数量级。最引人注目的是一款爬行机器人设计——其刚性躯干（G25）提供推进力，柔性关节（G75）在50 mT交变磁场下实现每秒2.3个身长的运动速度，展现了在灾难救援等场景的应用潜力。

这项技术通过灰度-磁化协同编程，为智能材料领域提供了兼具设计自由度与制造效率的解决方案，其单材料特性显著简化了传统多材料打印中的树脂槽更换、清洗等复杂工序。未来在组织工程支架的磁控定向生长、可穿戴设备的动态刚度调节等方面具有广阔前景。