科学家研发全新磁控变形材料，不用触碰也能移动物体

当我们想要移动物体时，通常会用手或机械臂去抓取。但如果是液滴这样的易碎品，或者处在狭小空间里的物品呢？

近日，美国北卡罗来纳州立大学的科研团队带来了一个新的解决方案。他们开发出一种能随磁场变形的新型超材料（metamaterial），无需直接接触就能操控物体，不仅打破了传统抓取方式的局限，更为精密操控领域带来了全新的可能性。

“我们面临着两个主要挑战。”研究人员解释说，“首先是如何移动那些无法用夹持器抓取的物体，比如易碎品或在密闭空间中的物品。其次是如何利用磁场来远程抓取和移动非磁性物体。”

为了应对这些挑战，研究团队将磁场控制与日本剪纸艺术“kirigami”的原理相结合，借此开发出一种超材料薄片，这种薄片由弹性聚合物制成，内部嵌入了磁性微粒，并在表面精心设计了特殊的切割图案。

该论文的主要作者、现任宾夕法尼亚大学博士后研究员 Yinding Chi 指出：“切纸设计对这种超材料薄片至关重要，因为它在不牺牲材料本身刚度的前提下，提高了材料的柔韧性。这使我们能够在不损失机械强度的情况下，显著增强材料的变形能力。”

在开发过程中，研究团队面临着一个看似矛盾的问题：如何让材料既容易变形又足够坚固以承载重物？

团队通过使用磁性弹性体、切纸（原理）、气球和磁铁的独特组合最终找到了答案。他们首先制作了直径 5 毫米、厚度 265 微米的磁性弹性体圆盘，将其置于可充气膜上，像气球一样充气使其形成圆顶形状，然后进行磁化处理，最后恢复到原来的平坦状态。

这种创新设计让研究人员可以通过控制磁场的方向，使薄片表面产生类似海浪般的起伏运动。而通过调节磁场强度，则可以精确控制“波浪”的高度。

研究人员表示：“通过控制超材料薄片表面的运动，我们可以移动各种类型的物体，无论是液滴还是平板玻璃。这种操控方式的精确性和适应性让人印象深刻。”

在深入研究过程中，团队还发现了一些意想不到的特性。最初的圆盘在磁场作用下只能隆起略高于 1 毫米，而且材料的相对较低刚度限制了其承重能力。

为了解决这个问题，研究人员使用激光切割机在圆盘上制作了类似切纸艺术的图案。这个改进带来了惊人的效果，带有正交切割的圆盘在磁场作用下能够达到 4 毫米的隆起高度，这比没有切割的圆盘高出一倍多。

更令人惊喜的是，这种设计不仅没有降低材料的承重能力，反而在磁场作用下使其刚度提高了 1.8 倍。

理论上，引入切割应该会显著降低材料的杨氏模量（衡量材料在应力下的刚性程度的指标），使圆顶的结构刚度降低四倍。但实际效果却截然相反，这是因为传统计算公式没有考虑到磁场的影响。

当切割的长宽比为 6 时，材料对磁场的响应性显著提升，进而增强了磁场诱导刚化效应。

实验证明，这种带切割的圆顶能够将重达 43.1 克（相当于自身重量 28 倍）的物体提升到 2.5 毫米的高度并稳定保持。为了展示这项技术的实际应用潜力，研究团队制作了一个 5×5 的圆顶阵列，通过底部可移动的永磁体支柱进行控制。

这个系统能够精确地移动水滴、薯片、树叶，甚至小木板，还能转动培养皿。更令人兴奋的是，其表面对磁场变化的响应时间不到 2 毫秒，这一速度甚至可以与游戏显示器相媲美。

这项技术的应用前景十分广阔。在实验室，它可以用于精确输送和混合微量液体，这对于生物医学研究和化学实验具有重要意义。在虚拟现实领域，其快速响应的特性使其有望用于触觉反馈控制器，模拟不同物体的触感和质地。

研究人员表示：“虽然我对触觉技术还比较陌生，但考虑到我们可以通过调节磁场来改变表面的刚度，这应该能够帮助我们重现不同的触觉感知。”

目前，研究团队正致力于解决最后一个技术难题：如何提高分辨率。如果将每个圆顶比作显示器的一个像素，目前的分辨率还相对较低。

研究人员表示，通过先进的制造技术，有望将圆顶的直径缩小到约 10 微米。不过，在如此小的尺度下实现驱动是一个挑战。

除了继续研究小型化，研究团队还在探索这项技术在游戏和辅助设备等领域的应用。

这项创新不仅展示了材料科学的最新进展，也为未来的精密操控和人机交互开辟了新的可能性。它证明，有时候最优雅的解决方案不是让抓握更加有力，而是更聪明地思考如何完全避免接触。

参考资料：

https://arstechnica.com/science/2024/12/magnetic-shape-shifting-surface-can-move-stuff-without-grasping-it/

https://mse.ncsu.edu/2024/12/magnetically-controlled-kirigami-surfaces-move-objects-no-grasping-needed/

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adr8421

排版：希幔