中山大学蒋乐伦教授、中国科大王柳教授团队：激光加工制造可编程磁响应微片阵列剪纸结构
剪纸结构因其制造工艺简单，变形能力强而广泛应用于柔性电子、软体机器人和太阳能电池等领域。为了改变传统剪纸结构只能通过物理接触驱动变形的缺点，近年来，人们开始利用智能材料制造刺激响应剪纸结构。其中，磁响应剪纸结构在磁场驱动下可改变其形貌结构，具有瞬时响应、可无线操控和生物相容性好等优点，在许多新兴领域具有潜在的应用价值。然而，已有的磁响应剪纸结构尺寸较大、制造工艺复杂、很难实现可编程变形且功能比较单一。因此，研发一种具有制备工艺简单，可编程和多功能的磁响应剪纸结构具有重要的科学价值和现实意义。
鉴于上述背景，中山大学生物医学工程学院蒋乐伦教授团队和中国科学技术大学近代力学系王柳教授团队提出了利用激光加工技术来制造一种由磁性微片阵列组成的新型磁响应剪纸结构。在磁性微片阵列中，单个微片的磁化方向可以被编程和重新编程。编程后的微片阵列在磁场驱动下可以展现出预设的变形状态。此外，通过对微片表面进行功能化修饰进而制造出具有多种功能的磁响应微片阵列剪纸结构。相关成果以“Magnetic kirigami by laser cutting”为题在国际力学权威杂志Acta Mechanica Solida Sinica上发表。
首先利用强脉冲磁场H将含有NdFeB颗粒的硅胶薄膜磁化，然后用激光切割成具有微片阵列组成的磁响应剪纸结构（图1a）。激光加工精度高，速度快，可以实现磁性剪纸结构的高效制造。编程磁化前，微片阵列具有相同磁化方向，在磁场B驱动下的能实现翻转及精确旋转变形（图1b-d）。微片阵列的编程磁化过程如图1e所示，首先施加向内磁场使两微片翻转，固定左边微片，去除磁场，右边微片在应力作用下发生翻转变形（回复到初始状态），然后利用强脉冲磁场磁化。取消固定左边微片，左边微片在应力作用下发生翻转变形（回复到初始状态）。此时左右微片具有不同的磁化方向，施加磁场实现可编程变形。
图1 可编程磁响应剪纸结构制造过程示意图：（a）利用激光将磁性薄膜（已通过强脉冲磁场H磁化）切割成磁性微片阵列；（b）施加磁场B微片阵列绕中间的铰链翻转；（c，d）通过旋转磁场B控制微片阵列旋转；（e）微片阵列编程磁化过程。
由磁粉含量为50%的磁性硅胶薄膜截面Micro-CT扫描图（图2a）可以看出，NdFeB颗粒在薄膜中分布均匀。磁性硅胶薄膜具有良好的磁学性能（图2b）和力学性能（图2c），磁性剪纸结构由微片阵列组成（图2d，e），在外界旋转磁场B驱动下微片能绕铰链产生精确旋转变形（图2f）。
图2 磁响应剪纸结构的特性：（a）磁性薄膜截面Micro-CT扫描图；（b）磁滞回线；（c）应力应变曲线；（d）磁性剪纸结构光学显微照片；（e）单个微片的光学显微照片—微片宽度和铰链宽度分别为w和d；（f）在40mT磁场驱动下微片磁化角α随磁场角β同步变化，内部图片为微片旋转过程图。
采用理论分析、有限元模拟和实验相结合的方法研究了具有不同磁化方向的两个微片的磁驱动变形过程，如图3所示。施加向上磁场B，左边微片磁化方向和磁场B相同，不产生变形。右边微片磁化方向与驱动场B相反，根据最小势能原则，微片倾向于使磁化方向跟外界磁场B的方向一致。因此，随着磁场强度B的增大，右边微片产生旋转变形。在磁驱动变形过程中微片受到磁力矩Tm 和弹性力矩Te 作用。
图3 通过理论分析、有限元模拟和实验研究具有不同磁化方向的两个微片的磁驱动变形过程
具有相同磁化方向的微片阵列在旋转磁场B驱动下同时旋转变形，如图4a所示。利用编程磁化技术使微片阵列左右两半微片具有相反的磁化方向，在磁场驱动下左右两半微片展示出不同的变形模式（图4b）。此外，利用激光加工技术能制造出尺寸更小的可编程磁响应剪纸结构（图4c-e），这也为磁响应剪纸结构的应用奠定了基础。
图4 磁性剪纸结构可编程变形过程展示：（a）具有相同磁化方向的2×4微片阵列；（2）左右两半具有不同磁化方向的2×4微片阵列；（c）具有相同磁化方向4×8微片阵列；（d）左右两半具有不同磁化方向的4×8微片阵列；（d）相邻列具有不同磁化方向的4×8微片阵列
通过对微片表面进行功能化修饰进而制造出具有多种功能的磁响应微片阵列剪纸结构。例如：将微片的正反面分别修饰成不同的颜色，通过可编程磁化技术控制每个微片的磁化方向，在磁场驱动下磁响应剪纸结构能展现出不同图案/信息，可以应用于信息加密（图5a-c）和智能显示领域（图5d）。
图5 磁性剪纸结构在信息加密及图案化显示领域的应用：(a)通过磁场控制信息显示和隐藏及通过重新编程赋予新信息；（b）具有29×29个微片组成的磁性剪纸应用于信息编码；（c）通过图像处理和信息解密获得的黑白二维码信息；（d）磁性剪纸显示字母。
综上所述，该研究利用激光加工技术制造了一种由微片阵列组成的新型磁性剪纸结构。磁性微片阵列中的微片的磁化方向可以被编程和重新编程。通过理论分析、有限元模拟和实验相结合的方法研究了磁响应剪纸结构的磁驱动变形过程。最后，将微片表面修饰成不同的颜色，探索了磁响应剪纸在信息加密和智能显示领域的应用。此外，微片表面可以被修饰成其他功能材料，进而制造出具有多种功能的磁响应微片阵列剪纸结构。
中山大学蒋乐伦教授、中国科学技术大学王柳教授为论文的共同通讯作者，广东技术师范大学机电学院王健副教授为论文第一作者，论研究工作得到了国家自然科学基金和广东省自然科学基金等项目的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1007/s10338-023-00394-z
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