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生命的一個重要特徵是對外界的刺激做出智能的響應。製造具有激勵響應功能的材料和機器 —— 特別是和生物體相似的活性軟材料和軟機器 —— 可以幫助甚至替代人體實現各種功能，會對社會產生重大影響。活性軟材料和軟機器也是當前多學科交叉研究的一大熱點。
現有的活性軟材料和軟機器包括介電橡膠 、水凝膠、形狀記憶高分子、液晶高彈體以及氣壓或液壓軟機器等，但是他們都有各自的局限。例如介電橡膠通常要千伏高電壓驅動，水凝膠、形狀記憶高分子、液晶高彈體響應速度一般較慢，而氣壓或液壓軟機器需要外加泵和導管。另外，如何製造可編程的、複雜機構的、對外界刺激做出智能響應的軟機器仍是本領域一大挑戰。
為解決上述局限和挑戰，麻省理工學院 (MIT) 趙選賀團隊首次提出列印可編程磁疇軟材料和軟機器，研究成果題為「Printing ferromagnetic domains for untethered fast-transforming soft materials」，今天以封面文章形式在Nature線上發表 [Nature, 558, 274 (2018)]，
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0185-0。
在這一工作中，趙選賀團隊設計了磁活性3D列印油墨，並用列印的方式控制複雜磁疇的分布和編程。新型油墨是一個含有釹鐵硼微粒和二氧化矽納米粉末的矽樹脂彈性膠體材料（圖一）。其中二氧化矽納米粉末與矽樹脂按特定比例的混合決定了油墨3D列印的可行性， 而釹鐵硼微粒賦予列印的軟材料和軟機器磁活性。趙選賀團隊創新地在3D印表機噴頭上外加一個可控電磁鐵，通過列印同時磁化釹鐵硼微粒來編輯磁疇在軟材料和軟機器中的分布 （圖一）。
圖一: 3D列印可編程磁疇的混合矽樹脂材料的過程示意圖。
根據此3D列印方法，趙選賀團隊列印了一系列具有任意複雜結構和任意磁疇分布的軟機器 —— 從一維到三維 (圖二)。編程好的磁疇會根據外加磁場旋轉，使整個軟機器做出快速的複雜的形變。趙選賀團隊還針對含磁疇的軟材料，開發了可預測的物理模型和有限元仿真程序 (參見文章附錄：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0185-0)。在模型和仿真的指導下，趙選賀團隊可以在電腦中反覆設計軟材料的結構、磁疇的分布以及外磁場加載；在確定設計方案後，一次列印成型。磁性智能軟機器的響應速度和功率密度是其他3D列印的活性軟材料和機器的10倍以上。
圖二: 一維，二維，及三維的可編程磁疇軟材料驅動圖。
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在接受知社採訪時，美國工程院院士、中國科學院外籍院士、美國西北大學黃永剛教授對這一工作大加讚賞：
「Although extensive efforts have been made in the design and fabrication of shape-programmable soft materials, fast and fully reversible actuation between targeted 3D shapes has remained a challenge. Xuanhe's work creatively introduces programmed ferromagnetic domains in soft materials, through a specially developed 3D printing technique, to enable magnetically-controlled, fast, remote, 3D transformation. The results are very impressive, as evidenced, for example, by the metrics of actuation speed and power density that exceed substantially those of the previously reported 3D-printed active materials. This work also provides a good paradigm that combines effectively the material design and the structure design to achieve programmable shape transformations and even functional reconfiguration. It can be anticipated that the developed printing method will enable promising applications in many emerging areas, such as soft robotics and flexible electronics.」
的確，磁性智能軟機器以及3D列印方法、模型和材料預期會對多個領域產生深遠的影響。
生物醫療領域
可以在人體血管、食道、體腔中照相、手術以及釋放藥物的智能軟體機器人對生物醫療領域有著廣泛的重要的影響。磁性智能軟機器具有無繩、無需儲能設備、快速有力形變、可編程遙控以及高生物相容性等優點，是體內醫療機器人的理想選擇。例如，文章中提出的蜘蛛形機器人可通過巧妙的設計結構、編輯磁疇、控制外加磁場的強度與方向變化，來實現各種不同的變形、運動和功能。包括爬行、滾動、對物體的抓持與釋放，藥物傳送等。
生物晶片領域
生物晶片（Organ-on-chip）在藥物篩選領域已經展示其優勢。人體內的器官大多處於動態形變的環境，例如心跳，肺伸縮，腸胃蠕動等。在生物晶片上模擬這些動態環境需要可以複雜快速形變且具有生物兼容的軟材料。由於和肌肉相似的驅動力和速度、可編程遙控以及高生物相容性等優點，磁性智能軟機器可以在生物晶片中模擬人體動態環境。另外，人們還可以調節智能軟機器的硬度來更好的匹配相應器官。
3D列印領域
由於混合矽樹脂油墨的高粘度低模量的機械特性，傳統的3D列印方式無法在層疊列印過程中使油墨不受重力影響保持原本的結構與形狀。通過支撐結構列印（supportive ink）的技術，趙選賀團隊提出的列印方案可以實現多層疊堆積結構的（high-aspect-ratio）3D列印。該技術可以廣泛的應用到各種軟材料和生物材料的3D列印（例如，水凝膠，細胞，細菌等）。
負泊松比材料領域
負泊松比材料受拉伸時, 在非加載方向同時發生膨脹; 而受壓縮時, 在非加載方向反而發生收縮。因為其在可變機械性能和可變結構上的優勢，負泊松比材料在許多科學和技術領域受到了關注。傳統的負泊松比材料僅適用於接觸式的機械加載，這大大局限了這種材料的優勢。趙選賀團隊實現了多種負泊松比材料變形的非接觸遠程控制，開拓了該材料的研究和應用的新空間。
可重構電子領域
可重構電子是一種通過可控機械形變來實現電器功能的新型電子儀器。現有的工作大多通過預拉伸的彈性基底實現可重構電子。趙選賀團隊使用多材料列印的方法，可以在磁性智能軟機器上進一步列印出電路並排布LED等電子功能原件。在外加磁場的遙控下，軟機器可以變形成不同狀態，同時達到不同電器功能 (圖三)。
圖三: 磁敏感的可重構電子器件示例。通過編程磁疇和控制外界磁場方向，可實現兩種電路激活狀態。
固體力學領域
在傳統固體力學中，物體的靜態轉動不產生能量，柯西應力矩陣是對稱的。由於磁疇的存在，鐵磁軟材料在外加磁場中轉動可以產生磁勢能，而且磁柯西應力矩陣和彈性柯西應力矩陣都可以是不對稱的。鐵磁軟材料的這些新的性能和現象，以及它的非線性形變，為固體力學領域提出了新的問題和研究方向。而固體力學的基礎研究結果，可以直接影響以上討論的磁性智能軟機器的各個應用領域。
作者的展望
趙選賀博士展望這項工作的潛力: "每天我們都把大量數據以編輯磁疇的形式存入計算機硬碟。使用報導的新方法，我們現在也可以將數據以列印磁疇和三維結構的形式融入到材料和機器中。在磁疇，軟材料結構以及外加磁場的共同作用下，依託於數據的新一代智能軟機器會給科學技術以及我們的生活帶來哪些驚喜呢？我們期待與各個學科專家合作共同開拓智能軟機器的未來"
更多專家點評
美國布朗大學資深力學教授ASME Daniel C. Drucker Medal 和 SES Engineering Science Medal 獲得者Kyung-Suk Kim 點評該工作：
「The authors have provided unprecedented versatility in designing and fabricating shape-programmable soft materials by inventing ingenious method of printing ferromagnetic domains in soft materials. This new technology will open up new opportunities for applications of remote actuation in soft robotics and flexible-device engineering.」
美國亞利桑那州立大學姜漢卿教授指出：
「3D列印與智能材料的結合代表了一種突破性的設計新型智能軟材料的方法。和傳統的方法相比，3D列印可以實現對材料精準的可編程控制。趙選賀教授研究組展示，通過對磁疇在二維平面上的設計，可以快速用磁場來遠程產生很多複雜的三維結構。這種精準智能軟材料極大地拓展了人們對軟材料的想像空間。隨著進一步提高磁疇的面內分布精度，相信這種方法可以製備出具有更小尺寸和更快反應速度的智能軟材料。」
而清華大學張一慧教授則表明：
「趙選賀教授課題組開創性地建立了一種在軟材料中形成可編程磁疇結構的3D列印方法，進而巧妙地利用磁疇結構對外加磁場的響應，實現了複雜三維結構的快速變形及幾何重構，是智能軟材料領域的一個突破性進展。該團隊發明的3D列印主動響應材料在驅動變形時，同時具有響應速度快、功率密度高、變形可逆、可遠程操控等眾多優勢，在生醫器件、柔性電子、軟體機器人等領域具有廣闊應用前景。此項工作從材料設計和製備方法的源頭創新出發，很好的展示了材料製備、結構設計和功能實現的有機融合，以及材料、力學、物理、化學、機械等學科的深度交叉，充分體現了學科交叉的巨大潛能。」
團隊介紹
該工作由麻省理工活性軟體材料研究室（MIT SAMS lab，http://web.mit.edu/zhaox/www/）主導完成。通訊作者趙選賀博士是MIT終身教授、MIT機械系副教授，以及Robert N. Noyce Career Development 教授。該工作的共同第一作者有MIT在讀博士生Yoonho Kim與Hyunwoo Yuk，以及MIT博士後趙芮可。趙芮可博士將在2018年的秋季加入美國俄亥俄州立大學（OSU）機械航天系，以助理教授的身份招收博士後與研究生，有興趣者請將簡歷發至rzhao@mit.edu。參與此項工作的其他成員還有New Jersey Institute of Technology的Shawn Chester博士。
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