综述：多功能磁性软纤维：面向可穿戴、生物医学与软体机器人系统的平台

《Advanced Fiber Materials》：Multifunctional Magnetic Soft Fibers: A Platform for Wearable, Biomedical, and Soft Robotic Systems

　　

磁性软纤维（Magnetic Soft Fibers, MSFs）已成为一类具有前景的刺激响应材料，其在纤维状架构内结合了磁功能、机械柔顺性、可编程磁化以及多功能性能。该类材料能够实现无线驱动、自适应变形、传感和电能产生，因而吸引了在可穿戴电子、生物医学器件和软体机器人系统中的日益增长的研究兴趣。本综述旨在全面概述MSFs的基本原理、材料体系、制备方法、磁化策略及新兴应用。综述强调，近年来在材料设计、可规模化制备技术和可编程磁化方面的进展已使MSFs从简单的磁性复合材料演变为能够在单一纤维系统内实现驱动、传感和能量采集的多功能平台。此外，电学、光学和流控功能的集成进一步拓展了其在可穿戴监测、微创生物医学器件、自适应软体致动器以及远程驱动机器人系统中的潜力。同时，本综述也指出了与材料优化、可规模化制造和长期可靠性相关的关键挑战，以及智能设计和自适应控制方面的新兴机遇。通过整合近期进展、辨识关键挑战并勾勒未来研究方向，本综述为下一代多功能磁性软纤维技术的发展提供了路线图。

1 引言

越来越多的研究聚焦于活性刺激响应（SR）软材料，因其有潜力将多种环境信号（如温度、湿度、光、电场和磁场）转化为可控的机械变形、运动或机械功。这些材料有望深刻变革可穿戴技术、制造业、医疗保健和机器人领域。相较于刚性对应物，软系统能够轻易变形并适应不断变化的环境和动态任务场景，且能承受高载荷、对人体安全柔顺，并支持低成本大规模生产。

为实现对外部刺激的功能响应，SR软材料通常在多种软基体中包含活性填料或微结构。活性组分可引发机械及关联的多物理场反应。此类材料能够在单一平台内同时实现动作、感知和结构重构，使其成为软体机器人、可重构系统、可变形电子和生物医学器件中不可或缺的组件。

同时，磁响应软复合材料能够实现快速、可逆、无缆化的多自由度运动，并可通过磁场进行远程控制。磁场能够方便地对目标物体施加力和力矩，兼具安全性、准确性、快速性和易调控性。与常需大型泵或大量能量输入的气动和热驱动相比，磁驱动提供了高效、可编程的形变与运动远程控制方式。此外，磁场还可用于从“废弃”机械能中采集能量，并能提供稳定的电输出、更高的电流水平和抗环境波动能力。

多功能磁性软纤维（MSFs）作为一类新兴材料，在单一纤维架构中结合了可编程磁响应、机械柔韧性和包括驱动、传感和能量转换在内的多功能性能。纤维因轻质、具有目标力学性能、可适形性以及适合大规模纺织集成等特点，可应用于织物、导管和植入器件等场景。与主要作为被动结构、传感或导电元件的传统可穿戴纤维不同，MSFs通过磁场驱动的功能实现无线和自适应操作。静电纺丝（ES）、热拉纤（TFD）、湿法纺丝（WS）和增材制造等制备技术的进展，现已允许规模化生产具有可控截面、多材料集成、嵌入式电极、光学路径、流体通道和可编程磁畴的纤维。

这些进展提供了轻量柔顺的平台，能够实现远程驱动、可控变形、机械顺应性以及与纺织和生物医学环境的兼容性。如图1所示，这些独特进展使MSFs能够在软体机器人、生物医学工程、可穿戴系统和自适应器件中获得广泛应用。此外，多功能磁性纤维还可能实现将驱动、感知和实时反馈集成于单一平台的闭环系统。

需要指出的是，与块体弹性体、薄膜、铁凝胶、微型机器人和胶囊类器件不同，MSFs被设计为连续丝状结构，提供了高长径比、轻量化结构、机械柔顺性、可规模化制造以及无缝集成到纺织品、可穿戴电子和生物医学器件中的独特优势。

尽管对磁性响应材料的兴趣日益增长，但以往的研究和综述主要集中于块体磁性复合材料、弹性体、水凝胶和软体机器人系统，而对连续磁性纤维架构的关注相对较少。本综述的主要贡献是建立一个以纤维为中心的设计框架，将磁填料选择、聚合物基体设计、颗粒分散、可规模化纤维制备、可编程磁化策略、纺织集成和可穿戴器件性能相关联，从而为下一代多功能磁性纤维的设计与发展提供统一视角。

2 驱动与能量转换机制

磁性软纤维的工作基于电磁、力学和磁学响应的相互作用。其整体机制包括机械变形、磁弹性磁通波动、感应电信号产生及磁场交互等一系列步骤。

2.1 磁颗粒浓度对磁性纤维性能的影响

磁性纤维中的磁颗粒浓度（φ）决定了机械柔顺性与磁驱动强度之间的平衡。将硬磁或软磁填料（如NdFeB、SmCo或Fe₃O₄）嵌入柔性弹性体基体（如PDMS、SEBS或TPU）中，可使纤维响应外部磁场发生弯曲，但同时增加填料含量会使基体更硬。磁化强度随填料含量近似线性增加，即M=φM_s；而剪切模量G则遵循指数形式的Mooney型模型。对于轴向磁化纤维在横向磁场中的小挠度弯曲，归一化挠度与无量纲驱动参数MB/G呈线性关系，并与长径比L/D的平方成正比。M/G比值存在最优值，对应最大偏转角；分析及有限元建模表明，临界体积分数约为Φ_C=20.7 vol.%。在5 mT中等磁场下，最大能量密度出现在约29 vol.%填料含量附近，此时M²/G达到最优。

2.2 磁性纤维的软体机器人驱动

在磁场作用下，磁性纤维驱动器通过磁能与弹性能的耦合实现可编程形变。每个磁矩在外场中受到转矩τ=m×B_ext和力F=?(m·B_ext)作用，集体作用下引发基体弯曲或扭转。平衡状态下，磁转矩与弹性转矩相等，所得曲率κ随纤维磁化强度和外场强度线性增加，即κ∝φ_mB_ext，显示复合材料的驱动能力随磁含量增加而增强，但过高填料含量会牺牲柔顺性。

2.3 外磁场下的磁弹性效应

磁弹性效应源于机械应变与磁感应强度之间的耦合。当纤维受拉伸、压缩或弯曲时，颗粒间距和偶极取向改变，导致总磁化强度变化，进而引起磁通密度成比例变化。不同于刚性磁致伸缩金属，软系统中磁化强度M和退磁因子k均依赖于变形梯度和旋转，因此磁通密度不仅是应力的函数，还受几何变形和磁畴旋转的影响，这解释了实验中观察到的线性、凹形或非单调的ΔB响应。

2.4 感应电压与电流（法拉第-麦克斯韦耦合）

当磁化纤维与导电线圈耦合时，时变磁通产生电动势E(t)=Ndφ/dt。开路电压V_0c≈2πfNAΔB，短路电流I_SC=E/R_coil。Fe-Co磁致伸缩纤维模型进一步量化了这种耦合：输出电压与应力变化率dσ/dt直接相关，磁感应强度B₃包含一阶压磁系数、二阶磁弹性常数和偏置场贡献，其时间导数决定感应输出电压。

3 MSF复合材料的组成、结构与性能

3.1 MSF复合材料的分类

MSF复合材料分为两类：离散系统中，磁性元件以有限尺寸磁体或局部磁段集成于柔性纤维中，形成局域驱动区；连续系统中，微纳磁性颗粒均匀分散于聚合物基体。连续系统又分为各向同性和各向异性两种。各向同性体系中颗粒随机取向，外场下按磁场方向排列；各向异性体系中，制备或固化过程中施加外场使颗粒沿纤维轴排列，可产生更强磁响应并改善转矩驱动和定向磁灵敏度。

3.2 磁性组分

根据磁滞行为，磁性填料分为软磁、硬磁和超顺磁三类。

软磁组分：具有低矫顽力和低剩磁、高磁化率和饱和磁化强度，易于磁化与退磁，适合需要可逆、高频响应的应用。常见填料包括Fe、Ni、Fe-Si合金、羰基铁粉（CIPs）及低矫顽力的铁氧体材料。各向同性软磁复合材料主要依靠力驱动，产生压缩、伸长或弯曲；而通过颗粒链状排列或引入非球形各向异性填料可打破对称性，引入磁转矩，实现更复杂的驱动模式。

硬磁组分：具有高矫顽力和剩磁，即使移除外场仍保持稳定磁矩，构成柔性永磁体。常用填料包括NdFeB、SmCo、钡铁氧体和锶铁氧体。均匀磁场中分布式磁转矩可产生可控弯曲或扭转，场梯度下磁转矩与磁力共同增强曲率和挠度。可编程的剩磁分布使纤维实现复杂、可逆的形变。

超顺磁组分：当颗粒尺寸低于临界单畴阈值时，热涨落消除剩磁，表现为无磁滞的可逆磁响应，但仍具有较高磁化率。超顺磁纳米颗粒（如小尺寸Fe₃O₄）产生的转矩和力密度较低，但可嵌入热响应聚合物（如形状记忆聚合物（SMP）或液晶弹性体（LCE））中，通过交变磁场感应产热诱导形变恢复。软硬磁混合或表面修饰纳米颗粒的协同策略可平衡磁响应、可加工性和生物相容性，为生物医学微型机器人、形变纤维和先进软纤维驱动器提供机遇。