磁性纤毛——由嵌入的磁性粒子驱动运动的人造毛发——已经存在了一段时间，并且在软机器人、运输物体和混合液体方面的应用引起了人们的兴趣。然而，现有的磁性纤毛以固定的方式移动。研究人员现已展示了一种创建可“重新编程”的磁性纤毛的技术，可以在室温下改变其磁性，从而根据需要改变纤毛的运动。
大多数磁性纤毛都使用“软”磁铁，这种磁铁不会产生磁场，但在磁场中会变成磁性。之前只有少数磁性纤毛使用“硬”磁铁，这种磁铁能够产生自己的磁场。使用硬磁铁的优点之一是可以对其进行编程，这意味着你可以给材料产生的磁场赋予特定的极化。控制磁极化(或磁化)可以让你从本质上精确地控制纤毛在施加外部磁场时如何弯曲。
“这项工作的新颖之处在于，我们展示了一种技术，不仅可以对磁性纤毛进行编程，还可以对它们进行可控地重新编程，”该研究论文的通讯作者、材料科学与工程教授 Joe Tracy 说道。在北卡罗来纳州立大学。 “我们可以在室温下改变材料的磁化方向，这反过来又使我们能够完全改变纤毛的弯曲方式。这就像让游泳运动员改变泳姿一样。”
在这项工作中，研究人员创造了由嵌入磁性微粒的聚合物组成的磁性纤毛。具体来说，这些微粒是钕磁铁——由钕、铁和硼制成的强力磁铁。
为了制作纤毛，研究人员将磁性微粒放入溶解在液体中的聚合物中。然后将该浆液暴露在足够强大的电磁场中，以使所有微粒具有相同的磁化强度。然后在液体聚合物干燥时施加一个较弱的磁场，研究人员能够控制微粒的行为，从而形成在基质上均匀分布的纤毛。
特雷西说：“这种规则排列的纤毛地毯最初被编程为在暴露于外部磁场时以统一的方式表现。” “但这里真正有趣的是，我们可以重新编程这种行为，这样纤毛就可以重新调整用途，产生完全不同的驱动。”
为了做到这一点，研究人员首先将纤毛嵌入冰中，这样可以将所有纤毛固定在所需的方向。然后，研究人员将纤毛暴露在阻尼交变磁场中，该磁场可以扰乱微粒的磁化。换句话说，它们基本上抹去了制造纤毛时所有微粒共有的预编程磁化。
“重新编程步骤相当简单，”特雷西说。 “我们应用振荡场来重置磁化强度，然后向纤毛施加强磁场，这使我们能够沿新方向磁化微粒。”
“通过基本消除初始磁化，我们能够更好地重新编程微粒的磁化，”该论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学的博士生马特·克拉里 (Matt Clary) 说道。“我们在这项研究中表明，如果你省略了擦除步骤，在重新编程时，你对微粒磁化方向的控制就会减少。”
“我们还发现，当微粒的磁化垂直于纤毛的长轴时，我们可以使纤毛在旋转的磁场中‘突然’移动，这意味着它们会突然改变方向，”特蕾西说。
此外，研究小组还开发了一个计算模型，使用户能够根据纤毛极化的方向预测基于硬磁体的磁性纤毛的弯曲行为。
“该模型未来可用于指导硬磁纤毛和相关软执行器的设计，”论文合著者、伊隆大学物理学教授本·埃文斯 (Ben Evans) 说。
“最终，我们认为这项工作对该领域很有价值，因为它允许重新利用磁性纤毛来实现新功能或应用，尤其是在远程环境中，”特雷西说。“这项研究开发的方法也可能应用于更广泛的磁性软致动器领域。”
这篇题为《自组装硬磁纤毛的磁重编程》的论文在《先进材料技术》杂志上公开发表。该论文由北卡罗来纳州立大学前研究生 Saarah Cantu 和北卡罗来纳州立大学前博士生 Jessica Liu 共同撰写。
这项工作是在国家科学基金会的支持下完成的，拨款号为 1663416 和 1662641;以及高等教育紧急救济基金。
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