基于磁性聚合物复合材料的无缆微型机器人：加工-结构-性能-功能关系综述

作者及机构
本文由Sukyoung Won（韩国汉阳大学有机与纳米工程系）、Kijun Yang（汉阳大学工业科学研究所）、Jeong Jae Wie（汉阳大学化学工程系/美国纽约州立大学环境科学与林业学院化学工程系）等合作完成，发表于2025年的《Progress in Polymer Science》（聚合物科学进展）期刊第168卷。

研究背景与主题
本文聚焦于磁性聚合物复合材料（Magnetic Polymer Composites, MPCs）在无缆微型机器人领域的应用，系统阐述了其加工-结构-性能-功能（PSPP）关系。传统磁性机器人研究多从机械工程角度探讨运动机制，而本文强调从高分子与材料科学视角理解复合材料的加工策略、磁响应特性与性能调控，以解决高精度驱动中的多学科挑战。

核心观点与论据

1. 磁性材料的基础特性与选择准则
- 磁性分类与机器人驱动机制：
文章详细区分了铁磁（ferromagnetic）、铁氧体（ferrimagnetic）等材料的磁滞回线特性，指出软磁材料（如Fe、Fe₃O₄）因低矫顽力（coercivity, Hc）适合快速磁响应，而硬磁材料（如NdFeB）因高剩磁（remanent magnetization, Mr）可实现磁化编程。
*证据*：通过磁化强度（M）与磁场强度（H）的曲线分析，对比了NdFeB（Hc > 100 kA/m）与Fe₃O₄（Hc < 1 kA/m）的磁滞行为差异。

• 尺寸与温度效应：
  纳米颗粒（如Fe₃O₄粒径<20 nm）因超顺磁性（superparamagnetism）避免聚集，而微米级颗粒（如NdFeB单畴尺寸220 nm）可最大化矫顽力。温度超过居里温度（Tcurie）会消除预编程磁化，需结合聚合物热稳定性（如Cro₂的Tcurie=118℃）设计低温加工策略。
  *证据*：引用Stokes定律和Curie-Weiss定律，量化了颗粒沉降速度与磁化率随温度的变化关系。
  

2. 复合材料加工策略
- 磁场辅助加工技术：
定向组装：通过施加磁场（10–160 mT）使颗粒形成链状结构（图6），增强磁各向异性。例如，Fe₃O₄纳米颗粒在光固化水凝胶中定向排列，提升驱动效率。
*证据*：实验显示链状排列的复合材料比随机分布样品的磁扭矩提高3倍。

磁化编程：硬磁复合材料（如PDMS/NdFeB）通过模板变形（如正弦弯曲）和强磁场（1.65 T）编码复杂磁化分布，实现多模式运动（图7）。
*证据*：通过有限元模拟验证了正弦磁化分布与波浪形运动的关联性。

• 表面功能化：
  采用聚合物接枝（如聚丙烯酰胺PAM）或配体修饰（如油酸）改善颗粒分散性。例如，PAM接枝的NdFeB纳米颗粒在3D打印中避免团聚（图3c）。
  *证据*：FTIR光谱证实接枝后颗粒表面羟基减少，动态光散射显示粒径分布变窄。
  

3. 机器人驱动行为与性能关联
- 结构-驱动关系：
各向异性结构（如螺旋形、多孔纤维）通过局部磁化梯度产生定向运动。例如，热塑性聚氨酯（TPU）/Fe₃O₄螺旋机器人（图4d）在旋转磁场中实现高效推进。
*证据*：高速摄影测得螺旋机器人在5 mT场强下的运动速度达1.2 mm/s。

• 多功能集成：
  水凝胶基MPCs可响应pH/温度变化，如壳聚糖-海藻酸铰链（图5b）实现药物控释；动态共价网络（如二硫键CANs）支持磁驱动形状重构（图8c）。
  *证据*：体外实验显示载药纳米机器人在酸性环境中释放率提高80%。
  

意义与价值
1. 科学价值：建立了MPCs的PSPP理论框架，揭示了磁-力-热耦合机制，为微型机器人设计提供材料学基础。
2. 应用潜力：在靶向给药（如肿瘤穿透）、环境修复（如微塑料清除）、精密制造（如超抛光）等领域展示跨学科应用前景。

创新亮点
- 提出单畴硬磁颗粒+聚合物接枝的协同加工策略，解决纳米颗粒分散与磁化稳定性矛盾。
- 开发磁场辅助3D打印技术，实现磁化分布与复杂结构的同步编程（图7b）。
- 首次系统比较热固性（如PDMS）与热塑性（如TPU）基MPCs的加工适应性（表1）。

其他贡献
- 探讨了生物相容性涂层（如聚多巴胺PDA）对医用机器人的重要性，列举细胞毒性测试数据（存活率>90%）。
- 展望了人工智能在磁驱动机器人路径规划中的应用潜力。