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无需改变材料成分科学家发现创新磁性超材料有望应用于生物医学和软体机器人领域

盖世汽车刘丽婷 2025-05-08 09:50:51

盖世汽车讯据外媒报道，马德里卡洛斯三世大学（Universidad Carlos III de Madrid，UC3M）和哈佛大学（Harvard University）的科学家通过实验证明，无需改变材料成分，即可重新编程具有磁性的创新人工材料（即超材料）的机械和结构行为。这项技术为生物医学、软体机器人等领域的创新打开了大门。

图片来源：《Advanced Materials》

相关研究论文发表在期刊《Advanced Materials》，详细介绍了如何利用分布于这些超材料结构中的柔性磁体来重新编程这些机械超材料。

“我们方案的创新之处在于将小型柔性磁体集成到旋转的菱形矩阵中，只需改变这些磁体的分布或施加外部磁场，即可改变结构的刚度和能量吸收能力。这赋予了它传统材料或自然界中不具备的独特性能。我们设计新材料时，通常关注的是它们的化学成分和微观结构，但对于超材料，我们还可以改变其内部几何形状和空间排列，”该研究的作者之一，UC3M连续介质力学与结构分析系的Daniel García-González解释说。

这一突破代表朝着可重构机械结构迈出了重要一步，该结构可用于机器人技术、冲击防护和航空航天工程等领域。研究人员表示，这种元结构的应用几乎是无限的。

“从软体机器人中的冲击防护结构和自适应组件，到外骨骼中的智能减震系统。在体育领域，它们可以通过鞋底中各元件之间的相互作用来改变其机械响应，使某些区域更加灵活或刚性，从而改善人或跑步者的脚步体验。”

“生物医学领域也正在开启创新的可能性。例如，我们可以在阻塞的血管中引入这些结构的修改，并通过施加外部磁场来扩展基质以疏通血管，”另一位来自UC3M连续介质力学与结构分析系的研究员Josué Aranda Ruiz指出。

为了开展这项研究，UC3M和哈佛大学的研究人员将不同材料的识别和特性与其随磁取向变化的行为分析相结合。

为此，研究人员研究了磁体的取向、剩磁和刚度如何影响超材料的静态和动态响应，证明了谨慎的重新定向可以显著调整其行为。随后，他们分析了将其集成到更大的结构中进行动态冲击测试的情况。

“通过调整磁体的位置来调节它们之间的磁相互作用，我们可以实现材料完全不同的行为，”该研究的另一位作者Carlos Pérez-García补充道。