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  電磁場(chǎng)已成為現(xiàn)代社會(huì)的重要基礎(chǔ)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于發(fā)電、通信、醫(yī)學(xué)成像以及無線充電等領(lǐng)域。近年來，隨著材料科學(xué)與增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，電磁場(chǎng)的應(yīng)用已從傳統(tǒng)的通信、傳感和無線能量傳輸，拓展為驅(qū)動(dòng)功能材料與器件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)與變形的有力手段。相比機(jī)械、熱或電流等驅(qū)動(dòng)方式，電磁驅(qū)動(dòng)具有非接觸、可逆及響應(yīng)快速的優(yōu)勢(shì)。更重要的是，基于電磁感應(yīng)，電磁場(chǎng)不僅可作用于磁性材料，還可作用于導(dǎo)電材料，從而實(shí)現(xiàn)多種驅(qū)動(dòng)機(jī)制，適用于廣泛的材料體系。此外，電磁場(chǎng)的強(qiáng)度、方向和頻率均可精確調(diào)控，顯著提升了功能材料與系統(tǒng)的可編程性和設(shè)計(jì)自由度。因此，電磁驅(qū)動(dòng)近年來在軟體機(jī)器人、主動(dòng)超材料、生物醫(yī)學(xué)器件以及形狀可變結(jié)構(gòu)等工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

  近日，斯坦福大學(xué)趙芮可教授團(tuán)隊(duì)撰寫了關(guān)于電磁驅(qū)動(dòng)功能材料的綜述文章，首次基于電磁場(chǎng)頻率對(duì)電磁場(chǎng)的功能進(jìn)行了系統(tǒng)分類，將其劃分為四大類：零至數(shù)百赫茲范圍內(nèi)的磁力\磁矩驅(qū)動(dòng)、零至兆赫茲范圍內(nèi)的洛倫茲力驅(qū)動(dòng)、千赫茲至兆赫茲范圍內(nèi)的感應(yīng)加熱驅(qū)動(dòng)，以及零到吉赫茲范圍內(nèi)的通訊、傳感與能量傳輸。針對(duì)每一類功能，詳細(xì)介紹了其物理與力學(xué)作用機(jī)理及典型功能材料與應(yīng)用（圖1），并進(jìn)一步討論了電磁驅(qū)動(dòng)功能材料的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法及未來研究方向。

  2026年1月7日，文章以 “Electromagnetic (EM)-Driven Functional Materials” 為題，發(fā)表在材料科學(xué)權(quán)威期刊《Advanced Materials》上。斯坦福大學(xué)博士生Jay Sim為論文第一作者，趙芮可教授為通訊作者，博士后魯璐為共同作者（入選國(guó)家海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃青年項(xiàng)目，即將入職浙江大學(xué)航空航天學(xué)院）。

圖1. 電磁場(chǎng)功能的分類與作用機(jī)理

基于磁力/磁矩的電磁驅(qū)動(dòng)

  基于磁力或磁矩的電磁驅(qū)動(dòng)是應(yīng)用最為廣泛的電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)策略之一，其工作頻率通常在零至數(shù)百赫茲范圍內(nèi)。這種驅(qū)動(dòng)方式依賴于材料磁化強(qiáng)度與外加磁場(chǎng)之間的相互作用，從而產(chǎn)生體力或力矩，進(jìn)而誘導(dǎo)磁性材料（如永磁體、磁響應(yīng)復(fù)合材料、鐵磁流涕）產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或變形。當(dāng)所施加的是非均勻磁場(chǎng)并存在磁場(chǎng)梯度時(shí)，材料將受到沿磁場(chǎng)梯度方向的磁力；而當(dāng)施加的是均勻磁場(chǎng)且磁場(chǎng)方向與材料的磁化方向不一致時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生磁矩，使材料發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)并趨向于與磁場(chǎng)方向?qū)R。在磁化狀態(tài)給定的情況下，這兩種驅(qū)動(dòng)力均僅取決于外加磁場(chǎng)的大小、方向及其梯度等參數(shù)。因此，該驅(qū)動(dòng)策略在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下均可靈活調(diào)控，為結(jié)構(gòu)變形與運(yùn)動(dòng)的編程控制提供了更多可能性。文中系統(tǒng)討論了在靜態(tài)磁場(chǎng)（頻率為零，如均勻磁場(chǎng)或梯度磁場(chǎng)）以及動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)（頻率可達(dá)數(shù)百赫茲，如振蕩磁場(chǎng)或旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)）條件下，如何通過精確調(diào)控磁場(chǎng)分布并對(duì)材料磁化進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)超材料、軟體機(jī)器人等典型系統(tǒng)變形與運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)控制（圖2）。

圖2. 基于磁力/磁矩的電磁驅(qū)動(dòng)及其功能應(yīng)用

基于洛倫茲力的電磁驅(qū)動(dòng)

  基于洛倫茲力的電磁驅(qū)動(dòng)是一種常用于導(dǎo)電材料的驅(qū)動(dòng)策略，其工作頻率通常覆蓋從零到兆赫茲的寬廣范圍。這種驅(qū)動(dòng)方式依賴于電流與外加磁場(chǎng)之間的相互作用，所產(chǎn)生的洛倫茲力同時(shí)垂直于電流方向和磁場(chǎng)方向。根據(jù)電流的產(chǎn)生方式不同，洛倫茲力驅(qū)動(dòng)可分為兩類。第一類電流由外部電源直接輸入，此時(shí)外加磁場(chǎng)的頻率通常為零至百赫茲。第二類電流則由交變磁場(chǎng)與導(dǎo)電材料之間的電磁感應(yīng)產(chǎn)生，在這種情況下，磁場(chǎng)頻率一般位于千赫茲到兆赫茲范圍內(nèi)。文中圍繞這兩種電流來源，詳細(xì)討論了洛倫茲力驅(qū)動(dòng)的物理機(jī)理及其在軟體機(jī)器人、軟體制動(dòng)器等典型系統(tǒng)中的應(yīng)用（圖3）。

圖3. 基于洛倫茲力的電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)理與功能應(yīng)用

基于感應(yīng)加熱的電磁驅(qū)動(dòng)

  基于感應(yīng)加熱的電磁驅(qū)動(dòng)是溫度響應(yīng)材料與系統(tǒng)中常用的一類驅(qū)動(dòng)策略，其工作頻率通常在千赫茲到兆赫茲范圍內(nèi)。該方法通過施加交變磁場(chǎng)，在導(dǎo)電材料或鐵磁材料內(nèi)部產(chǎn)生熱量，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)交變磁場(chǎng)作用于導(dǎo)電材料時(shí)，材料內(nèi)部會(huì)感生渦流，并通過焦耳熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量；而在鐵磁材料中，加熱主要來源于磁滯損耗，即磁疇在每個(gè)磁場(chǎng)循環(huán)中發(fā)生取向重排時(shí)所產(chǎn)生的能量耗散。無論是基于渦流損耗還是磁滯損耗的感應(yīng)加熱，其本質(zhì)都由交變磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。文中詳細(xì)介紹了這兩種感應(yīng)加熱的物理機(jī)理，并進(jìn)一步討論了其在形狀記憶聚合物、液晶彈性體、液態(tài)金屬等溫度響應(yīng)材料中的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式及典型應(yīng)用（圖4）。

圖4. 基于感應(yīng)加熱的電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)理與功能應(yīng)用

面向通信、感知及無線能量傳輸?shù)碾姶艌?chǎng)

  電磁場(chǎng)不僅可用于軟體機(jī)器人、主動(dòng)超材料以及形狀可變結(jié)構(gòu)等功能系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與能量的傳輸，從而具備通信、感知和無線能量傳遞等功能。這些傳統(tǒng)功能的工作頻率通常覆蓋從零到吉赫茲的寬廣范圍，其相關(guān)應(yīng)用構(gòu)成了現(xiàn)代電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在功能材料與器件領(lǐng)域，電磁場(chǎng)越來越多地被用于驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)、能量傳輸?shù)囊惑w化集成，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高水平的自主性和更復(fù)雜的功能。文中系統(tǒng)介紹了電磁場(chǎng)在通信、傳感及無線能量傳輸中的基本機(jī)理，并討論了其在天線、傳感器、軟體致動(dòng)器及能量轉(zhuǎn)換器等功能結(jié)構(gòu)器件中的應(yīng)用（圖5）。

圖5. 面向通訊、感知及無線能量傳輸?shù)墓δ芙Y(jié)構(gòu)應(yīng)用

電磁驅(qū)動(dòng)功能材料的設(shè)計(jì)優(yōu)化

  電磁驅(qū)動(dòng)功能材料與器件的性能高度依賴于外加電磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)以及與之相互作用的材料和結(jié)構(gòu)體系。目前，大多數(shù)相關(guān)應(yīng)用仍主要采用正向設(shè)計(jì)思路，即通過反復(fù)試錯(cuò)來實(shí)現(xiàn)期望功能。近年來，基于優(yōu)化與機(jī)器學(xué)習(xí)的方法逐漸成為有力工具，通過對(duì)外加電磁場(chǎng)分布、幾何構(gòu)型、材料結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)路徑等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，使材料和器件能夠?qū)崿F(xiàn)給定的目標(biāo)性能。文中圍繞不同的優(yōu)化策略（如梯度優(yōu)化、遺傳算法和拓?fù)鋬?yōu)化）以及機(jī)器學(xué)習(xí)方法（如強(qiáng)化學(xué)習(xí)），重點(diǎn)討論了其在電磁驅(qū)動(dòng)形狀可變結(jié)構(gòu)、軟體機(jī)器人和超材料等系統(tǒng)逆向設(shè)計(jì)中的應(yīng)用（圖6）。

圖6. 基于優(yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)的電磁驅(qū)動(dòng)功能材料和器件的逆向設(shè)計(jì)

未來展望

  文章最后對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)功能材料與器件的若干潛在研究方向進(jìn)行了展望。例如，基于磁力或磁矩的驅(qū)動(dòng)已廣泛應(yīng)用于功能系統(tǒng)中，但其磁化分布通常在制造后即被固定，在一定程度上限制了器件的可重構(gòu)性與環(huán)境適應(yīng)性。如何在單一均勻磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)磁化方向的實(shí)時(shí)重編程，從而使同一器件能夠在不同變形模式與運(yùn)動(dòng)方式之間動(dòng)態(tài)切換，仍有待深入研究。目前，大多數(shù)電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍采用單一驅(qū)動(dòng)模式，即僅依賴一種致動(dòng)機(jī)理。事實(shí)上，將多種互補(bǔ)的電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行耦合，有望顯著拓展系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)行為空間，從而提升電磁致動(dòng)器的多功能性與適應(yīng)性。此外，現(xiàn)有電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要依賴可視化手段，在感應(yīng)加熱驅(qū)動(dòng)中通常輔以紅外成像。如何將磁傳感器集成到電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與器件中，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)過程中磁場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)感知與自適應(yīng)調(diào)控，對(duì)于推動(dòng)軟體機(jī)器人和可變形結(jié)構(gòu)向閉環(huán)控制與全自主運(yùn)行發(fā)展具有重要意義。在設(shè)計(jì)方法方面，機(jī)器學(xué)習(xí)與優(yōu)化技術(shù)已在磁力或磁矩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中取得顯著進(jìn)展；相比之下，針對(duì)洛倫茲力和感應(yīng)加熱驅(qū)動(dòng)變形模式的相關(guān)研究仍相對(duì)不足。深入理解這些系統(tǒng)中磁、電、熱與力學(xué)響應(yīng)之間的多物理場(chǎng)耦合關(guān)系，并據(jù)此建立高精度的學(xué)習(xí)與優(yōu)化框架，將是實(shí)現(xiàn)上述兩類電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逆向設(shè)計(jì)與高性能調(diào)控的關(guān)鍵方向。

  趙芮可教授團(tuán)隊(duì)主頁鏈接：https://zhaolab.stanford.edu/

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202521268