集体同步磁振荡使微柱阵列能够操纵流体并充当软机器人

汉阳大学的研究人员开发了一种创新的微柱阵列，能够进行集体和快速的磁振荡，在机器人、流体输送和动态表面控制方面具有巨大的先进应用潜力

在自然界中，许多生物体表现出集体运动来完成对个体来说具有挑战性的任务。一个突出的例子是海洋纤毛的协调运动，它们共同调节流体流动，促进运动，或增强与周围表面的粘附。尽管已经探索了人工微柱结构来操纵表面功能，但实现快速响应和足够大变形的动态驱动仍然是一个重大挑战

在汉阳大学有机与纳米工程系副教授Jeong Jae（JJ）Wie和韩国标准与科学研究所（KRISS）的合作者Jun Oh Kim的带领下，该团队开发了微米级结构阵列，可以对旋转磁场的变化做出即时响应，产生快速、同步的高变形振幅振荡

这些发现最近发表在ACS Nano杂志上

传统的软致动器由于其固有的粘弹性延迟，在高振荡频率下变形幅度减小，限制了它们快速达到平衡配置以最小化磁矩的能力。这导致性能随着振荡频率的增加而降低

为了克服这些局限性，研究人员将硬磁微粒嵌入硅基弹性体中，并对其磁化曲线进行编程。这种设计使微柱阵列能够实现各种受控的变形模式，包括简单的弯曲、扭曲和扭转振荡。研究人员改变了磁化曲线以产生弯曲和扭曲变形，而磁场梯度控制导致了扭曲线对称或点对称振荡

此外，硬磁微粒使微柱阵列能够在中等强度的磁场下启动，这些磁场在商用磁力搅拌器下运行。相比之下，具有传统软磁微粒（如铁（Fe）微粒）的微柱阵列需要强大的磁通密度

值得注意的是，这些磁编程微柱阵列在输出频率上没有延迟地保持了高达15 Hz的大变形幅度。微柱的高度仅为400μm，其峰值速度达到了81.8 mm/s，是其体长每秒的200多倍，这表明在软材料驱动中具有出色的速度与尺寸比

研究人员还展示了这些集体振荡微柱阵列如何应用于软机器人和微流体技术——通过磁驱动运动运输货物或混合液体

微柱阵列引导流体通过扭转线对称或点对称振荡沿顺时针或逆时针方向循环。此外，微柱多阵列地毯充当微流体桨，在培养皿大小的管道中产生受控的液体流，有效地混合流体，而不需要外部泵或管道。

在另一种设置中，微柱阵列也被倒置，使微柱尖端充当软机器人的腿，从而实现行走运动。机器人不依赖于传统的轮子或机械臂，而是通过微柱的集体扭转运动前进，完全由放置在表面下方的磁力搅拌器驱动

“通过结合其他功能材料用于动态光子学和能量转移，集体磁振荡的这一突破可以成为许多应用的新兴模板，而不仅仅是软致动器，”这项工作的共同第一作者Jisoo Jeon说。

另一位共同第一作者、汉阳大学研究员Hojun Moon补充道：“这项工作代表了为下一代软机器人和微流体技术开发无约束、高性能微致动器的重要一步。” More information: Jisoo Jeon et al, Collective and Rapid High Amplitude Magnetic Oscillation of Anisotropic Micropillar Arrays, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.4c15987

Journal information: ACS Nano