Сложные избирательные манипуляции с термомагнитной программируемой материей

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 20767 (2022) Цитировать эту статью

2092 Доступа

106 Альтметрика

Подробности о метриках

Программируемая материя может менять свою форму, жесткость или другие физические свойства по команде. Предыдущая работа продемонстрировала бесконтактное оптически управляемое вещество или магнитное воздействие, но первое ограничено по силе, а второе – по пространственному разрешению. Здесь мы показываем беспрецедентный уровень контроля, сочетающий световые узоры и магнитные поля. Смесь термопластичного и ферромагнитного порошка нагревается в определенных местах, которые становятся податливыми и притягиваются магнитными полями. Эти нагретые участки затвердевают при остывании, и процесс можно повторить. Мы показываем комплексное управление 3D-пластинами, 2D-листами и 1D-нитями с применением в тактильных дисплеях и манипулировании объектами. Благодаря низкой температуре перехода и возможности использования микроволнового нагрева соединением можно манипулировать в воздухе, воде или внутри биологической ткани, что потенциально может произвести революцию в биомедицинских устройствах, робототехнике или технологиях отображения.

Программируемая материя может изменять форму, плотность, модули или другие физические свойства программным способом1. Эти изменения контролируются извне или инициируются встроенными в материал датчиками и обработками2. Два основных подхода к реализации программируемой материи: модульные роботы3, которые обладают большим интеллектом; и внешнее срабатывание4, что обеспечивает более высокое пространственное разрешение и масштабируемость. Программируемая материя имеет новаторские применения в инженерной и медицинской областях, но степень детализации, которой можно достичь при ее манипуляциях, все еще существенно ограничена.

В качестве внешнего метода приведения в действие использовался свет. Материалы в сочетании с азобенценами5 активируются при освещении. Например, запуск движения, когда отражающий или непрозрачный объект приближается к материалу6, или обеспечение движения нитей и цилиндров при освещении динамическими световыми узорами7. С другой стороны, тепло, выделяемое светом, может перемещать небольшие объекты на поверхности воды из-за температурных градиентов8 или изменения фазы в сплавах с памятью формы9. Воздействие светом или его тепловым воздействием имеет высокое пространственное разрешение при существующей технологии проецирования изображений, однако сила срабатывания относительно слаба, и после срабатывания весь материал возвращается в исходное состояние или сохраняет необратимое состояние. Более того, свет не может проходить сквозь непрозрачные материалы.

Магнитные поля — еще один способ управления материей на расстоянии. Гибкой нитью из полимера, содержащей магнитный порошок, можно управлять дистанционно, чтобы перемещаться в искривленной среде10, листы гибких материалов, наполненных ферромагнитными или магнитными частицами, можно перемещать и сгибать контролируемым образом для передвижения11,12, можно приводить в действие ковер из магнитных ресничек чтобы управлять объектами, находящимися на нем13, а магнитную слизь можно перемещать с помощью магнита, чтобы ловить и транспортировать другие объекты14. Магнитное воздействие сильное и может проходить через неметаллические материалы, однако невозможно добиться высокого пространственного разрешения, поскольку магнитные поля не остаются сфокусированными на расстоянии. Для лучшего контроля магнитное притяжение или отталкивание материала можно модулировать, нагревая его до температуры Кюри, используя либо свет15, либо электромагнитную индукцию16, однако эти методы применяются на всей поверхности, не позволяя выполнять тонкие манипуляции. Жидкий металл может перемещаться в капли17 под действием внешних магнитных полей, а при их объединении в магнитореологическую суспензию он также может изменять жесткость18, служа динамической электрической связью в реконфигурируемых цепях.

Здесь мы демонстрируем беспрецедентные уровни контроля над манипулированием материей с использованием комбинации тепловых пространственных структур и магнитного воздействия на композиционный материал, изготовленный из матрицы низкотемпературного обратимого термопласта (поликапролактона, PCL), смешанного с ферромагнитным порошком (частицами железа), см. Методы» «Смешение соединений».