Nat. Commun.：一种混合磁-机-电（MME）芯-鞘光纤
第一作者：Yuanxi Zhang
通讯作者：Lelun Jiang，Carmel Majidi，Zhe Li
通讯单位：中山大学，卡内基梅隆大学
DOI: 10.1038/s41467-023-40109-z
背景介绍
软电磁设备将磁和电功能与固有的机械顺应性相结合，以实现强大的弹性以及远程驱动、传感和能量采集。这些新兴类别的材料系统在各种应用领域具有变革性影响的潜力，包括软机器人、可穿戴计算机和生物医学设备。
目前制造软电磁器件的方法是基于磁活性弹性体复合材料和导电材料的异质组合。磁活性材料通常由嵌入铁磁性颗粒的软弹性体制成，这些铁磁性颗粒以编程磁化轮廓磁化。软电磁器件中使用的导电材料包括液体金属，蛇形铜/金图案，或由软聚合物基体和导电分散相组成的导电复合材料，例如金属颗粒（例如液体金属，银，金），碳同素异形体，或软导电复合材料（例如，聚苯胺、聚吡咯、PEDOT:PS）。这些材料通常使用以下三种通用策略之一进行组合。第一种方法涉及在未固化的磁活性基质内混合刚性导电填料颗粒。这种方法需要高浓度的导电填料来增强导电性，但这会降低复合材料的机械性能。第二种和第三种方法依赖于将磁活性材料与实现贯穿几何形状（例如，蛇形、褶皱和波浪形结构）或与刚性电磁线圈对接的确定图案化金属导体。与第一种和第二种方法一样，后一种方法需要软材料和刚度材料的界面，这可能导致高内应力集中以及界面粘附和分层问题。
这些方法的一个有前途的替代方案是使用液相金属合金，如共晶镓铟（EGaIn）作为支撑电流和电磁感应的导电材料。先前的工作已经探索了由液态金属芯和聚合物鞘组成的芯鞘纤维的制造，包括模板成型和注射、3D形状编程和浸渍、同轴湿针和同轴打印，提供了制造具有复杂结构的软电磁器件的可能性（复杂图案和多层结构）。然而，这些芯鞘纤维仅具有混合机电性能，而没有磁活性特性，并且基于这些材料构建的软电磁器件缺乏混合磁致动和能量传递功能。尽管液态金属铁磁流体可以被注入中空纤维中进行磁致动变形，同时确保良好的柔韧性和高导电性，但这些基于液态金属铁磁性流体的软电磁器件通常存在弱剩磁或不可编程磁化，限制了其复杂形状变形和体感驱动的能力。因此，开发具有混合磁驱动、能量传递和体感致动功能的软电磁设备仍然具有挑战性。
本文亮点
1. 本工作报道了一种混合磁机械电（MME）芯鞘光纤。在同轴打印方法的帮助下，MME光纤可以打印成具有集成磁活性和导电特性的复杂2D/3D MME结构，进一步实现包括可编程磁化、体感和磁致动以及同时无线能量传输在内的混合功能。
2. 使用带磁性控制的柔性MME导管进行了精确和微创的电消融，使用耐用的体感MME夹持器进行了混合致动传感，并使用无束缚的软MME机器人演示了混合无线能量传输和磁致动。
图文解析
图1. 混合磁-机械-电气（MME）结构的概念。
a MME结构的设计和功能组成。Bact是外部驱动磁场；m是MME结构内的剩余磁化强度。b具有线圈几何形状的MME结构的同轴印刷示意图。MME线圈结构充当蝴蝶机器人的骨架。c 1D MME光纤的磁性驱动。1D MME光纤的精确变形可以通过用于在有限空间中照明LED像素的磁控制来实现。d具有MME线圈骨架的2D蝴蝶机器人的示意图设计和制造的原型。e由外部致动磁场Bact致动的蝴蝶机器人的3D变形的图示。α为变形角度；L1是处于变形状态的集成MME线圈的电感；E是来自动态磁场的感应电压。f–h实验结果显示了机械变形α、电感∆L和输出电压E对外部驱动磁场Bact的依赖性。i磁致动Bact机械变形α-由MME线圈结构启用的电感/电压回路；电感可以用于变形感测或无线能量传输。
图2. 磁性机械电气（MME）结构的制造。
a同轴印刷的关键参数。fcom：PDMS@NdFeB复合油墨到同轴喷嘴外通道的进给速率；fliq：液态金属到内部通道的进给速率；V：印刷速度；dm和dl分别是印刷的MME纤维的外径和内部液态金属芯的直径；s和h分别是纤维间间距和层间间距。b不同无量纲进料速率下的三种典型印刷状态V*（V* = fliq/fcom）；还提供了在不同状态下打印的MME纤维的相应显微CT图像；在微CT图像中可以清楚地看到液态金属芯c在不同K（K）下印刷的MME纤维的形态 = V*/V），恒定V*为1.0。d具有复杂几何形状的2D/3D MME结构。e多层3D MME锥形结构的显微CT图像。f SEM图像显示了典型MME纤维的整体芯鞘结构；还提供了相应的元素映射图像。g SEM图像显示了MME纤维的柔韧性。h SEM图像显示了平滑连接的MME纤维。
图3. 磁性机械电气（MME）结构的表征。
a具有50 wt% NdFeB的MME纤维复合护套的磁滞回线（对照：纯PDMS护套，0 wt%的NdFeB）。b MME纤维的循环加载-卸载试验；拉伸速率：0.5 毫米/秒；循环间休息时间：10 min.c大变形对电阻的影响；即使在140%的大拉伸下，MME光纤仍然有助于点亮LED。d 2D MME结构的变形角α的影响（矩形，长度：35 mm，宽度：15 mm）对电阻的影响。误差条是一个标准偏差，独立实验的数量n = 3.e 2D MME结构响应于不同弯曲循环的耐久性。f浸入酸性（HCl）和碱性（NaOH）溶液中的2D MME结构的耐久性。
图4. 磁机械电气（MME）结构的磁化、磁致动和传感。
a实现MME结构可控磁致动变形的策略。b MME光纤磁化过程的模拟预测。黑色箭头表示磁化轮廓。c沿MME光纤中心轴s的剩余磁化分布B（Bx，By，Bz）的实验和模拟结果。d MME光纤的准静态分析。插图中显示了稳态变形下作用在MME纤维无穷小单元上的弯矩。e MME光纤磁致变形的模拟预测和实验结果。f MME纤维响应致动磁场Bact的变形角α。g MME线圈结构的混合驱动和传感功能示意图（长度：35 mm，宽度：15 毫米）。h、 i MME线圈结构磁致动变形的仿真预测和实验结果。j MME线圈结构变形引起的线圈变化的电感磁场Bind的模拟分析（α = 0°和α = 180°）。k通过模拟计算的MME线圈结构的磁能随变形角α的变化。l根据模拟和实验测量预测的电感Δl随变形角α的变化值。
图5. 1D磁机电（MME）纤维的微创电消融手术能力。
a可以由四个电磁铁的磁导航系统控制的导管式软外科手术工具的示意图。b导管式软外科手术工具的致动；由磁性导航系统在导管式软外科工具的初始和变形状态下产生的磁场。黑色箭头表示手术工具的磁化轮廓。白色箭头表示驱动磁场矢量。c当导管式软外科工具的尖端从初始位置移动到xy平面（z）上的目标点P（r，θ，z）时，尖端在垂直方向上的偏移Utip = 0）。该图显示了Utip作为半径r.d的函数。磁控制下电消融手术的控制程序。e导管式软手术工具对预定义的点进行精确消融（最小距离为1 mm）在致动磁场的控制下在封闭空间中的猪组织上。f使用导管式软外科工具进行体内电消融手术的说明（I）；（II） 体内实验的实验装置；（III） 对雄性Sprague-Dawley（SD）大鼠的心脏表面进行微创消融的过程；（IV） 电消融术后心脏组织的H&E染色。对照组：无电消融术。
图6. 2D磁机电（MME）夹持器的混合变形和传感能力。
a具有由外部磁场致动的集成线圈的MME夹具的变形的模拟结果。白色箭头表示MME夹持器的磁化轮廓m。b MME夹具的电感L时间曲线和物体抓取、转移和释放过程中相应的致动磁场强度Bact时间曲线。c MME夹具抓取不同尺寸物体的变形（顶部）和相应的感应磁场Bind（底部）。“绑定”字段由交流电压（2 V、 100 kHz）施加在MME线圈上。d MME夹具的电感∆L随夹具两边缘之间距离ld的变化。e MME夹具的电感∆L随ld下不同变形速度的变化 = 19 误差条是一个标准偏差，独立实验的数量n = 3.f用于物体识别/分拣的机器人辅助MME夹具示意图。g机器人辅助MME夹具抓取和识别物体的过程。h MME抓取器对杂乱的物体进行分类（顶部）。分拣过程中夹持器电感∆L和相应感知物体尺寸L的变化（底部）。误差条是一个标准偏差，独立实验的数量n = 3.
图7. 由软磁机电（MME）机器人实现的混合驱动和无线能量传输。
a一种软MME机器人的设计。b软MME机器人的磁控制旋转和平移。在旋转磁场和梯度磁场的驱动下，软MME机器人进行旋转和平移运动（I）并穿过迷宫（II）。（III） 随着运动/变形，软MME机器人可以以三种模式产生能量（模式1：低频电磁发电，点亮红色LED；模式2：高频电磁发电，照亮红色LED；方式3：摩擦发电，点亮绿色LED）。c三种模式（电压V、电流A、功率P）下发电能力的比较。d利用电磁发生器进行无线能量传输。e–g EMG的电输出性能；（e） 不同工作频率下的输出电压（5–88 Hz），（f）不同磁场强度的输出电压（5–190 mT），（g）1内的输出能量 s在不同的频率和磁场强度下。h通过射频（RF）进行无线能量传输。i射频在不同工作距离（DRF）下的电输出性能（输出电压和输出功率）（范围：5–65 毫米）。j摩擦纳米发电机（TENG）工作原理示意图。k输出能量在1以内 s具有不同的频率和磁场强度。
转载自公众号 柔性传感及器件 https://mp.weixin.qq.com/s/B_w23Hm-95iptiT50jHTDw
