研究人员展示老式磁性纤毛可以学会新技能

研究人员展示了教老的磁性纤毛新技巧

磁性纤毛——其运动由嵌入的磁性颗粒驱动的人造毛发已经存在一段时间，对软机器人、物体运输和液体混合等应用具有兴趣。然而，现有的磁性纤毛移动方式是固定的。研究人员现在展示了一种创建可“重新编程”的磁性纤毛的技术，可以在室温下改变它们的磁性特性，从而根据需要改变纤毛的运动。

大多数磁性纤毛使用“软”磁铁，不产生磁场，但在磁场存在时会变得磁性。只有少数先前的磁性纤毛使用了“硬”磁铁，能够产生自己的磁场。使用硬磁铁的一个优点是可以进行编程，这意味着可以赋予材料产生的磁场特定的极化。控制磁极化，使您基本上可以准确地规定当外部磁场施加时纤毛将如何弯曲。

该研究的作者乔-特雷西表示：“这项工作的新颖之处在于，我们展示了一种技术，不仅可以对磁性纤毛进行编程，还可以可控地重新编程它们。” 他说：“我们可以改变材料的磁化方向，从而完全改变纤毛弯曲的方式。这就像让游泳者改变他们的划水方式。”

研究人员创建了由聚合物和磁性微粒组成的磁性纤毛。具体来说，微粒是钕磁铁——由钕、铁和硼制成的强磁铁。

研究人员将磁性微粒引入溶解在液体中的聚合物中。然后，在液态聚合物干燥时，研究人员通过暴露给一个较弱的磁场来控制微粒的行为，从而在基板上形成了间隔均匀的纤毛。

特雷西说：“这种均匀排列的纤毛地毯最初被程序设计在外部磁场的作用下表现出统一的行为。但这里真正有趣的地方在于，我们可以重新编程这种行为，使得纤毛可以被重新用于完成完全不同的作用。”

为了做到这一点，研究人员首先将纤毛嵌入冰中，这样所有的纤毛都固定在所需的方向。然后，他们将纤毛暴露给一个阻尼的交变磁场，这样做的效果是扰乱微粒的磁化。换句话说，他们大致抹去了在制造纤毛时所有微粒共享的预先编程的磁化。

特雷西说：“重新编程步骤非常简单。我们施加一个振荡磁场来重置磁化，然后向纤毛施加一个强磁场，这样我们就能够将微粒的磁化方向重新编程。”

该研究团队还开发了一个计算模型，使用户能够根据硬磁体的方向来预测磁性纤毛的弯曲行为。

埃隆大学物理学教授本-埃文斯说：“未来这个模型可能会被用来指导硬磁性纤毛和相关软执行器的设计。”

特雷西表示：“最终，我们认为这项工作对该领域很有价值，因为它可以重新用于新功能或应用的磁性纤毛，尤其在遥远的环境中。本项工作中开发的方法也可以应用于更广泛的磁性软执行器领域。”

这项研究的论文《自组装硬磁性纤毛的磁性重新编程》已经公开发表在《先进材料技术》期刊上。该论文的合著者还包括前北卡罗来纳州立大学研究生萨拉·坎图和前北卡罗来纳州立大学博士生杰西卡·刘。

这项工作得到了国家科学基金会的支持，分别是1663416和1662641号资助；以及来自高等教育紧急援助基金的支持。