近日，中國科學技術大學工程科學學院、人形機器人研究院李木軍副教授聯合裴剛、張世武教授等研究人員，提出了一種由磁控像素陣列構成的功能表面，其表面像素的功能狀態可快速重復編程并且能夠穩定自維持，實現了表面顏色、潤濕性、反射率以及磁驅動表面變形的靈活調制。成果以“Reprogrammable and bistable magnetically driven pixel array with customizable surface properties”為題發表于Cell Press(細胞出版社)儀器設備相關領域旗艦期刊Device上。
可編程功能表面可對光學性質、潤濕性、粘附性等表面性質進行按需調控，在自適應偽裝、疏水防冰以及建筑節能等領域具有廣泛應用前景。然而，現有可編程功能表面面臨著表面狀態穩定自維持和快速可重構能力需要權衡的挑戰。場響應材料的集成為功能表面的重復編程提供了便利，但需要持續的能量輸入來維持已編程的功能；形狀記憶材料和功能涂層等技術可用于穩定保持表面狀態，但會使重編程過程變得復雜耗時。
圖1.可快速重編程和穩定自維持的磁控功能表面
針對上述問題，研究團隊提出了一種形狀類似于書頁的磁控柔性結構作為表面像素，并開發了脈沖磁針用于快速編程像素的狀態(圖1)。像素中磁性“片”和“條”之間的三極鎖定機制能夠鎖定像素的狀態，從而無需外部能量輸入即可維持已編程的表面功能。同時，可通過移動脈沖磁針編程表面上任意位置的像素狀態，實現局部表面功能的靈活定制。在此基礎上，構建了磁驅可編碼功能表面(圖2)。通過編程顏色像素可顯示不同字符圖案，實現信息存儲或動態偽裝；通過編程潤濕性像素可定制表面特定區域的親水性，從而實現液滴輸運；通過編程反射率像素可在相同輻射熱源下調控表面特定區域的溫度響應，有望應用于建筑或設備表面的快速控溫。此外，通過可逆地調控表面像素的磁化方向，同一表面在磁場驅動下能可編程地展現出不同的形狀，展示了該方法應用于軟體機器人領域的潛力。
圖2.表面顏色、潤濕性、反射率以及變形的像素級調控
中國科學技術大學精密機械與精密儀器系碩士研究生吳紀旸是該論文的第一作者，中國科學技術大學李木軍副教授，裴剛、張世武教授為共同通訊作者。澳大利亞伍倫貢大學李衛華教授為論文共同作者。該研究得到了科技部國家重點研發計劃、安徽省自然科學基金、中國科學技術大學“雙一流”計劃研究基金支持。部分實驗獲得了中國科學技術大學微納研究與制造中心、中國科學技術大學理化科學實驗中心等平臺支持。
