[论文解读] Magnetic Dynamic Polymers for Modular Assembling and Reconfigurable Morphing Architectures

Xiao Kuang, Shuai Wu+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2020

Advanced Materials and Mechanics参考文献 57被引用 9

一句话总结

本文提出一种由热响应型动态聚合物网络中分散的硬磁性微颗粒构成的磁性动态聚合物复合材料，实现了靶向焊接、磁化重编程以及二维镶嵌结构向复杂三维形态的远程重构。该系统通过耦合的网络塑性和磁致驱动，实现了按需、可逆且可重构的形状演变，从而能够构建具备可编程功能的模块化软体结构。

ABSTRACT

Shape morphing magnetic soft materials, composed of magnetic particles in a soft polymer matrix, can transform shapes reversibly, remotely, and rapidly, finding diverse applications in actuators, soft robotics, and biomedical devices. To achieve on-demand and sophisticated shape morphing, the manufacturing of structures with complex geometry and magnetization distribution is highly desired. Here, we report a magnetic dynamic polymer composite composed of hard-magnetic microparticles in a dynamic polymer network with thermal-responsive reversible linkages, which permit functionalities including targeted welding, magnetization reprogramming, and structural reconfiguration. These functions not only provide highly desirable structural and material programmability and reprogrammability but also enable the manufacturing of structures with complex geometry and magnetization distribution. The targeted welding is exploited for modular assembling of fundamental building modules with specific logics for complex actuation. The magnetization reprogramming enables altering the morphing mode of the manufactured structures. The shape reconfiguration under magnetic actuation is coupled with network plasticity to remotely transform two-dimensional tessellations into complex three-dimensional architectures, providing a new strategy of manufacturing functional soft architected materials such as three-dimensional kirigami. We anticipate that the reported magnetic dynamic polymer provides a new paradigm for the design and manufacturing of future multifunctional assemblies and reconfigurable morphing architectures and devices.

研究动机与目标

• 开发一种能够实现按需、可逆且可重构形状演变的软材料系统，用于先进软体机器人与生物医学装置。
• 通过远程磁致驱动与结构重构，将二维镶嵌结构转化为复杂三维架构。
• 通过在单一复合材料平台上实现靶向焊接与磁化重编程，获得可编程的材料与结构性能。
• 通过动态共价键引入可重构性与模块化，克服传统磁性软材料的局限性。
• 展示一种制造功能性、多功能且可重构软体架构材料的新范式。

提出的方法

• 复合材料采用具有热可逆共价键的动态聚合物网络，以实现网络塑性与结构重构。
• 在基体中嵌入硬磁性微颗粒，以提供永久磁化并实现远程磁致驱动。
• 通过局部加热材料以重新形成共价键，实现靶向焊接，从而实现预制模块的模块化组装。
• 在高温下施加磁场以实现磁化重编程，从而改变驱动模式。
• 通过磁致驱动与网络塑性相结合，将二维镶嵌结构转化为复杂三维架构。
• 该系统利用热响应性与磁响应性之间的协同效应，实现远程、可逆且可编程的形态演变。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一软材料系统是否可通过动态键合与磁致驱动，同时实现模块化组装与可重构形状演变？
• RQ2 如何在软聚合物复合材料中实现磁化分布的重编程，以改变驱动行为？
• RQ3 在磁力与网络塑性共同作用下，二维镶嵌结构在多大程度上可被重构为复杂三维架构？
• RQ4 能否在软磁性复合材料中实现具有空间与温度控制的预制模块靶向焊接？
• RQ5 动态共价键在实现软体形态演变结构的可重构性与可重编程性方面起到何种作用？

主要发现

• 该磁性动态聚合物可通过局部热激活实现模块化构件的靶向焊接，从而构建具有特定功能逻辑的复杂组装结构。
• 通过在高温下利用外场重新定向材料中的磁偶极子，成功实现了磁化重编程，改变了形态演变响应。
• 通过远程磁致驱动与网络塑性，二维镶嵌结构被重构为复杂三维架构（如剪裁式结构）。
• 该系统表现出可逆的形状演变，响应速度快且结构保真度高，可在无永久形变的情况下实现动态重构。
• 动态共价键与磁性颗粒的结合，使单一材料平台同时具备结构重构与功能重编程能力。
• 该方法可实现具有可编程几何形状与驱动模式的多功能、可重构软体架构设计。