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  近期，浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院吳化平教授團(tuán)隊(duì)的智能器件與仿生機(jī)械實(shí)驗(yàn)室在柔性表面動(dòng)態(tài)可編程調(diào)控研究中取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果作為卷首論文（frontispiece）發(fā)表在《Advanced Functional Materials》（2025, 35, 2508885）上。該研究將雙穩(wěn)態(tài)穹頂結(jié)構(gòu)引入水凝膠柔性表面，并利用磁場驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了快速、可重新編程的表面形貌調(diào)控。所開發(fā)的磁驅(qū)變形技術(shù)展現(xiàn)出在動(dòng)態(tài)顯示、信息加密與解密、以及物體選擇性轉(zhuǎn)移等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為磁控軟體機(jī)器人與智能多功能表面技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。

圖1 Advanced Functional Materials: Volume 35, Issue 33卷首論文

  隨著智能技術(shù)的快速發(fā)展，柔性動(dòng)態(tài)表面憑借其優(yōu)異的柔韌性、多功能性和可控性，在液體輸運(yùn)、信息加密、可切換粘附、軟體機(jī)器人以及柔性傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。動(dòng)態(tài)可變形表面的功能實(shí)現(xiàn)通常依賴于智能材料的合理選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然而，現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)表面在完成形貌變形后往往需要持續(xù)外部能量供給以維持穩(wěn)定狀態(tài)，這極大限制了其應(yīng)用拓展。因此，如何在無持續(xù)能量輸入條件下保持形貌的穩(wěn)定，成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

  具有兩個(gè)穩(wěn)定平衡態(tài)的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)為該問題提供了前景廣闊的解決思路。其固有的雙穩(wěn)態(tài)特性不僅能夠以最小能量輸入實(shí)現(xiàn)形態(tài)躍遷，并在躍遷過程中釋放顯著的輸出力，還能在外部刺激撤除后保持穩(wěn)定狀態(tài)而無需額外能量供給。一種構(gòu)建雙穩(wěn)態(tài)表面的有效方法是利用水凝膠薄膜的空間可控平面內(nèi)溶脹，通過平面外屈曲變形形成三維結(jié)構(gòu)。然而，已有報(bào)道的水凝膠表面在形態(tài)跳轉(zhuǎn)過程中存在能量存儲時(shí)間較長的問題，且難以實(shí)現(xiàn)對表面變形的精準(zhǔn)與可編程調(diào)控。

  為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，需要開發(fā)一種能夠縮短能量存儲時(shí)間并實(shí)現(xiàn)對圖案化水凝膠表面形貌高精度調(diào)控的簡便策略。利用磁場強(qiáng)度隨距離迅速衰減的特性，通過設(shè)定磁性穹頂單元的磁響應(yīng)閾值、優(yōu)化其在薄膜中的空間排布，并結(jié)合磁場的精確調(diào)控，即可實(shí)現(xiàn)多雙穩(wěn)態(tài)單元的非接觸式高精度獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。與此同時(shí)，磁場直接作用于磁響應(yīng)單元的特性還能夠有效縮短能量存儲時(shí)間，從而顯著提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

圖2 具有雙穩(wěn)態(tài)穹頂陣列的水凝膠薄膜及其磁驅(qū)跳轉(zhuǎn)、信息加密/解密與選擇性粘附

  研究團(tuán)隊(duì)首先設(shè)計(jì)并制備了一種磁性雙穩(wěn)態(tài)水凝膠動(dòng)態(tài)表面。這種表面由高溶脹的磁性圓形凝膠分散在非溶脹的凝膠薄膜中。由于兩者在溶脹程度上的差異，高溶脹區(qū)域會自然彎曲，形成交替分布的凹凸穹頂，這些穹頂具有典型的雙穩(wěn)態(tài)特性（圖 2A）。當(dāng)外加磁場方向與穹頂隆起方向相反時(shí)，磁力會瞬間驅(qū)使穹頂向磁場方向翻轉(zhuǎn)彈出（圖 2B、C）。這一變形過程不僅快速可逆，而且高度可控；更為關(guān)鍵的是，穹頂在凹面或凸面狀態(tài)下都能在無需持續(xù)能量輸入的情況下保持穩(wěn)定。通過調(diào)節(jié)穹頂?shù)拇砰撝怠⒃O(shè)計(jì)水凝膠中穹頂?shù)目臻g分布以及精確控制外部磁場，研究人員實(shí)現(xiàn)了表面的可編程、超快且非接觸式動(dòng)態(tài)變形。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步展示了其在動(dòng)態(tài)顯示、信息加密與解密以及選擇性物體粘附等方面的應(yīng)用潛力（圖 2D、E）。

圖3 基于磁場驅(qū)動(dòng)可編程水凝膠薄膜的動(dòng)態(tài)顯示

  研究團(tuán)隊(duì)在系統(tǒng)研究圖案化凝膠組成及薄膜幾何尺寸對磁驅(qū)水凝膠跳轉(zhuǎn)行為的影響后，成功實(shí)現(xiàn)了對該薄膜表面圖案的動(dòng)態(tài)、遠(yuǎn)程與按需編程。通過精確調(diào)控磁場分布與強(qiáng)度，可生成多種預(yù)設(shè)圖案，例如字母“H”、“O”和“T”（圖3）。與以往研究相比，該表面在響應(yīng)速度和單元尺寸方面均取得了顯著提升。此外，為實(shí)現(xiàn)多個(gè)單元的順序驅(qū)動(dòng)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套優(yōu)化的磁驅(qū)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了高精度、高效率的3D運(yùn)動(dòng)控制模塊，磁鐵固定于X軸或Y軸的一端，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該設(shè)計(jì)大幅減少了所需磁鐵數(shù)量，有效簡化了磁控系統(tǒng)，其最大移動(dòng)速度可達(dá)100 mm/s。借助該高速移動(dòng)模塊，即便擴(kuò)展到更多穹頂單元，也能在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對多個(gè)單元的精準(zhǔn)、高效控制。

圖4 用于加密解密的磁控圖案化凝膠薄膜

  此外，研究團(tuán)隊(duì)還提出了一種通過調(diào)節(jié)磁性高溶脹凝膠組成以設(shè)定其對外部磁場響應(yīng)閾值的方法，從而能夠在均勻磁場中實(shí)現(xiàn)表面形貌的按需調(diào)控（圖4）。作者構(gòu)建了一個(gè)3×3圖案化凝膠陣列，其不同位置的磁性單元因磁性顆粒含量各異而表現(xiàn)出不同的磁響應(yīng)閾值。在該系統(tǒng)中，凸起的穹頂單元對應(yīng)于二進(jìn)制數(shù)“1”，凹陷狀態(tài)則編碼為“0”。通過在該陣列中配置具有特定磁響應(yīng)閾值的高溶脹單元，該薄膜可實(shí)現(xiàn)信息加密功能；反之，通過調(diào)節(jié)磁鐵與薄膜間距即可完成解密。此3×3磁性凝膠陣列最多可編碼512個(gè)獨(dú)立數(shù)值，其取值范圍為0至511。

圖5 圖案化水凝膠薄膜的粘附性能及其對物體的選擇性拾取與釋放過程

  最后，研究團(tuán)隊(duì)還通過編程控制磁場，實(shí)現(xiàn)了圖案化水凝膠薄膜對目標(biāo)物體的選擇性拾取與釋放（圖5）。該磁性穹頂凝膠可在較小預(yù)加載荷（2 mN）下穩(wěn)定粘附于不同粗糙度的物體表面（如硅片、玻璃、塑料和白紙），并能夠有效拾取多種不規(guī)則形狀物體（如鉛筆芯、眼鏡、金屬扣眼、陶瓷電容器）及易碎物體（如干花、隱形眼鏡）。選擇性拾取與釋放過程如下：首先，將帶有3×3凹狀穹頂凝膠單元的圖案化水凝膠薄膜置于3×3硅片陣列上方，陣列中的目標(biāo)硅片與非目標(biāo)硅片已預(yù)先分別標(biāo)記為紅色與藍(lán)色。隨后，在非目標(biāo)區(qū)域施加磁場，使該區(qū)域內(nèi)的穹頂凝膠從凹態(tài)跳轉(zhuǎn)為凸態(tài)。將變形后的薄膜靠近基底，此時(shí)僅十字形區(qū)域中的目標(biāo)硅片被粘附。接著，將薄膜與目標(biāo)硅片一同提起，轉(zhuǎn)移至新基底上方。最后，在目標(biāo)區(qū)域施加磁場，使所有凹態(tài)穹頂轉(zhuǎn)變?yōu)橥箲B(tài)，從而將目標(biāo)硅片釋放到新基底上。

  相關(guān)研究成果當(dāng)選Volume 35, Issue 33卷首論文（frontispiece）。該研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（12372168）、浙江省科學(xué)技術(shù)廳“尖兵”“領(lǐng)雁”項(xiàng)目（2023C01051）、浙江省杰出青年科學(xué)基金延續(xù)項(xiàng)目（RG25A020001）和浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（QZSZ25E030011）的經(jīng)費(fèi)資助。

  論文信息

  A Dynamically Programmable Hydrogel Surface with Rapid Magnetically Actuated Snapping of Bistable Dome Configurations

  Ye Tian, Hao Qi, Zhi Jian Wang, Chen Yu Li, Shaowen Zhu, Yanshen Cai, Ye Qiu, Yi Song, Aiping Liu, Huaping Wu*

  Advanced Functional Materials

  https://doi.org/10.1002/adfm.202508885