可降解磁性复合材料：基于回收钕铁硼（NdFeB）的软体驱动与传感技术及其可持续应用探索

本综述系统介绍了一种利用报废工业转子泵中回收的钕铁硼（NdFeB）磁粉与生物相容性明胶-甘油/1,3-丙二醇有机凝胶基质构建的全降解磁性复合材料。该材料兼具优异的机械柔顺性、快速磁响应性与多功能性，通过调控磁性填料比例（10–70 wt%），可实现宽范围的力学性能调控（极限强度100–500 kPa，延伸率最高达750%），并支持高速软体机器人运动（0.5–5个体长/秒）与动态负载下的磁弹性传感。得益于明胶凝胶中可逆氢键网络与三螺旋缠结结构，材料具备绿色溶剂辅助降解（80°C 下1分钟内完成）和热塑重塑两种闭合循环回收方式，为可持续软体机器人及传感技术提供了新材料范式。

　　

引言部分指出，随着软体机器人技术和柔性磁传感技术从实验室原型逐步走向生物医学、检测机器人及可穿戴传感器等现实应用，其环境可持续性问题日益凸显。传统磁性复合材料通常采用不可降解聚合物和稀土类填料，由于回收性差以及在机器人与可穿戴技术发展中预计出现的高材料消耗，带来严峻的生态挑战。磁性软体机器人因其无缆、静音驱动、可重构变形及多功能性（如能量收集与触觉传感）等特点引起广泛关注，尤其适合在人体等敏感或密闭环境中操作。然而，该类系统在从设计到制造的原型迭代中易产生大量废弃物，尤其是常用的聚二甲基硅氧烷（PDMS）或Ecoflex等弹性体因不可逆交联而难以回收，若再嵌入钕铁硼（NdFeB）等稀土磁粉，将进一步加剧材料循环利用的难度。此外，钕等稀土元素供应受限，开采与加工对环境和地缘政治带来显著压力，而报废磁体回收率极低（约1%），造成宝贵资源大量流失。

实验方法与材料制备方面，研究团队开发了一种可完全降解的磁性复合材料，其以明胶（Gelatin Type A）为基体，甘油（Glycerol）和1,3-丙二醇（1,3-propanediol）为塑化剂，并掺入从报废转子泵中经热退磁、氢破碎与球磨处理得到的再生NdFeB微米颗粒（粒径2–55 μm）。通过调控磁粉含量（10–70 wt%），复合材料展现出可调的力学性能：纯凝胶延伸率可达750%，拉伸强度为127 kPa；随着填料比例提高，材料刚度增强，在50 wt%填料时强度提升至498 kPa，延伸率仍保持236%。磁性测量显示，原始与再生磁粉的剩磁（Remanence）为0.29 T，矫顽力（Coercivity）为0.26 T，虽因各向同性球磨导致磁性能略降，但仍足以支撑低场软体机器人的驱动与传感。

在回收与再利用方面，该材料依托明胶物理交联网络的可逆特性，发展了两种闭环策略：一为绿色溶剂辅助降解，使用1,3-丙二醇与去离子水（9:1 wt%）在80°C下1分钟内完全溶解凝胶基质，并通过外磁体快速回收磁粉，经历五次循环后磁性能仍保持稳定（剩磁0.26 T，矫顽力0.25 T）；二为热塑重塑，将复合材料碎片在80°C下熔融并注入新模具中冷却成型，实现快速重构与零废弃加工。与传统不可回收的PDMS或Ecoflex基磁性材料相比，该明胶-NdFeB复合材料在环境友好性、材料成本与再加工能力方面具备明显优势。

软体机器人制备与磁驱动实验中，研究以50 wt%填料比例的复合材料通过旋涂成膜（厚度约1 mm）、冲切造型与脉冲磁化（2 T，2分钟）制成Flippy、Quadru及蠕虫状机器人。在直流电机驱动旋转磁体（峰值场强9 mT）作用下，机器人实现多模式运动，包括爬行、翻转与越障，运动速度可达每秒0.5至5个体长。在复杂环境中，如受限环状空间、含水/无水细管（直径5 mm），机器人均表现出良好的环境适应性与机动性。

在传感应用方面，基于巨磁弹性效应（Giant Magnetoelastic Effect），团队开发了多种磁-机-电转换传感模块：通过将含气泡的磁性复合材料贴片与柔性拾波线圈结合，成功实现了对轻/重指触、脚跟撞击事件、多轴非对称负载的区分与检测；输出电压信号经零相移移动平均滤波处理后，呈现出典型且可重复的波形特征。此外，利用平面霍尔效应（Planar Hall Effect, PHE）传感器，结合指尖集成的磁性皮肤贴片（厚度1.5 mm），实现了非接触式接近感应与运动检测，为人机交互、辅助技术与虚拟现实应用提供了新可能。

结论部分强调，该研究展示了一条结合可持续材料设计与高性能软体机器人与传感技术的可行路径。通过整合再生NdFeB磁粉与可降解明胶凝胶基质，不仅实现了材料的快速闭合循环回收与再利用，还验证了其在多种驱动与传感场景中的可靠性。未来研究方向包括开发磁粉表面涂层以抑制腐蚀、探索更高变形能力的粘结剂体系以提升磁弹性灵敏度，并结合可重构磁架构与3D打印技术进一步拓展其在智能可持续软机器人系统中的广泛应用。