力学设计助力程序化驱动超表面

刺激响应微结构，在外界激励下结构呈现出可控可逆的力学响应，在智能机器人、功能表界面、精密致动与传感、显微操纵等众多新兴领域都展现出广阔的应用前景。然而，对微结构响应的定点、按需调控是当前此领域的一大严峻挑战，制约了其往高精度、程序化致动方向的发展。

应对此挑战，武汉大学土木建筑工程学院工程力学系王正直副教授课题组联合国内外多学科学者，提出了基于力学设计的两步微纳加工方法，制备了具有任意混合模式的磁性微柱阵列表面，实现了对微柱结构弯曲形变的定点、按需、程序化驱动。相关工作以《基于混合磁性微柱阵列的程序化驱动》（“Hybrid magnetic micropillar arrays for programmable actuation”）为题发表于《先进材料》（Advanced Materials），武汉大学为第一署名单位，王正直是第一及通讯作者，共同通讯作者包括北京理工大学黄厚兵研究员及美国宾州州立大学陈龙庆教授。

基于基本的梁变形理论，王正直课题组通过调节磁性纳米颗粒在高弹性微柱基体内的空间分布，实现了对微柱的局部刚度和磁致驱动力沿微柱轴向的精准调控（图1左）。结合理论预测、实验表征和有限元计算，发现在相同的磁场驱动条件下，颗粒的不同分布（均匀分布、向柱根分布、和向柱尖分布）可导致微柱的变形量变化一个量级以上（图1右）。

图1. 微柱变形原理图（左），磁致微柱变形的理论、计算、实验对比（右）

进一步，课题组发展了光掩模辅助模板复制技术，将具有不同磁致力学响应的微柱以任意组合的方式组装成阵列，实现了对微柱变形的定点、定量、程序化控制。实验演示了程序化驱动微柱阵列在加密印章、定向定轨输运、和显微操纵等方面的新奇应用，通过简单的施加和撤除磁场，实现了对微型图案的可控显示和隐藏（图2左）以及对微米级物体的精准抓取和释放（图2右）。该系列工作充分体现了力学设计在先进智能材料与结构开发中的重要地位，为刺激响应结构的程序化调控提供了普适的思路和方法。

图2. 程序化驱动微柱阵列的潜在应用：加密印章（左）和显微操纵（右）

王正直博士自2015年加入武汉大学以来，一直致力于微结构调控的实验力学研究，在磁性颗粒增强复合材料的力学设计和行为方向的前期成果参见：Materials Horizons, 2017, 4, 869-877; ACS Nano, 2018, 12: 1273-1284; Small, 2018, 14, 1802717; Soft Matter, 2019, 15: 3133-3148; Extreme Mechanics Letters, 2020, 38,  100734 等。

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Hybird Magnetic Micropillar Arrays for Programmable Actuation

Zhengzhi Wang, Kun Wang, Deshan Liang, Linhai Yan, Ke Ni, Houbing Huang, Bei Li, Zhiwei Guo, Junsheng Wang, Xingqiao Ma, Xuhai Tang, Long-Qing Chen

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202001879