文丨九萬

編輯丨九萬

引言：

磁流變流體（MRF）在開發大型機械設備方面顯示出巨大的潛力，如阻尼器、減震器、旋轉制動器、離合器和人工關節。最近，更多的研究重點被投入到使用MRF開發具有可變剛度的柔軟、可拉伸和小型化設備上，以實現使用固體智能材料無法實現的功能。

(資料圖片)

我們基于液態金屬磁活性漿料（LMMS），研究了一種具有優異導電性的變剛度線材。在不暴露于磁場的情況下，LMMS導線具有極低的剛度，并且可以容易地拉伸，同時保持優異的導電性。

當施加磁場時，導線會變得更硬，即使在負載下也能保持其形狀。導線的柔性、高導電性和可變剛度的特性相結合，制成了一種可以抓取各種形狀物體的柔性夾具。

此外，通過使用鎵代替其液態金屬合金，LMMS導線的可調剛度范圍顯著增強，并且可以使用外部磁場和溫度誘導的相變來控制。所提出LMMS導線具有在柔性電子、軟機器人等領域應用的潛力。

一、簡介

磁流變流體（MRF）是智能材料家族中著名的成員之一，因為它在外部磁場的存在下從液態快速可逆地轉變為幾乎固態。這些流體是通過將磁性微粒分散到載體流體中來制備的。在1T左右的大通量密度磁場下，這些流體的表觀粘度會發生幾個數量級的變化。

MRF因其獨特的優點而廣受歡迎，如反應快、流變學變化大、對污染不敏感和制備過程簡單。由于MRF的吸引人的特性，它被廣泛應用于阻尼器、減震器、旋轉制動器、離合器、假肢裝置、拋光和研磨裝置等的開發。

然而到目前為止，為數不多的基于MRF的剛度變化導線的研究，證明了它有潛力取代傳統的剛性導線，促進可拉伸電子和軟機器人的發展。這主要是因為目前用于MRF的大多數載液是不導電的。

鎵（Ga）及其幾種合金是室溫或接近室溫的液態金屬（LM），如EGaIn（75 wt%鎵，25 wt%銦）和Galinstan（68.5 wt%鎵，21.5 wt%銦，10 wt%錫）。

與汞相比，它們具有高導電性和導熱性、大表面張力和低毒性，這些特性使它們在柔性設備中的應用具有吸引力，如可拉伸電子設備、熱流管理、能量收集和軟致動器。

LMMS材料系統的剛度，可以在短時間內和寬范圍內可逆地改變和微妙地控制。磁性LM已被應用于實現3D液滴操作和制作相變液體抓取器；然而，它在可調諧和柔性機械系統中的更廣泛應用還有待探索。

今天我們研究了一種基于LMMS制備具有高電導率的變剛度線材的簡單方法。當磁通密度低時，導線可以拉伸到400%的大應變，同時保持其高導電性，以穩定地連接電子元件。同時還研究了磁性粒子對金屬絲導電性和拉伸性的影響。

當施加磁場時，導線的剛度會顯著增加。有趣的是，即使在承受重量后，金屬絲也能在磁場中保持其形狀。為了突出金屬絲的應用潛力，我們提出了一種利用金屬絲剛度變化能力控制抓取和釋放各種形狀物體的夾具。

此外，我們通過在LMMS中用Ga代替EGaIn進一步改變了導線的性質，說明了通過誘導磁流變效應和溫度控制的相變來增強可調諧剛度范圍的能力。

二、材料和方法

變剛度鋼絲由四個主要部分組成：LMMS、一根乳膠管、兩個銅電極和一根釣魚線。

1.LMMS

LMMS是線材的核心部分，因為它提供了各種剛度并保持了形狀。LMMS是通過將磁性Fe顆粒（純鐵）分散在Ga基LM基質中形成的，例如EGaIn（圖1a）。

具體而言，我們通過在5 mL濃鹽酸（HCl）溶液（12 m）中混合1 g Fe微粒（尺寸為5μm）和3 g EGaIn來制備一種LMMS（mEGaIn:mFe=3）。

我們將它們加入一個干凈的燒杯中，并將混合物劇烈攪拌至少10分鐘。界面處金屬間化合物FeGa3的形成使Fe顆粒能夠潤濕EGaIn中的Ga，從而形成均勻的混合物（圖1a）。

純鐵顆粒在攪拌過程中與HCl溶液發生反應。然而，EGaIn和Fe顆粒在HCl溶液中形成原電池，并且HCl由于其低標準電極電勢而優先與Ga反應，這阻止了Fe顆粒被HCl溶解。

在使用該混合物制造變剛度線材之前，清潔LMMS并將其在100mL水中浸泡3次以上以去除HCl。在與Fe顆粒混合后，低粘度EGaIn變得粘稠、漿狀和渾濁。

（圖1。LMMS的變剛度鋼絲。a準備過程。b 剛度變化機制。c 通電狀態下的拉伸。d非磁性和磁性環境下的壓縮。）

2.乳膠管

乳膠管用作電線的套管，并填充LMMS。此外，管子柔軟有彈性，使LMMS能夠變形并保持不同的形狀（圖1b）。

3.Cu電極

由于Cu和LM之間具有優異的潤濕性能，我們確保了電極和LMMS之間的緊密連接。電極的一端連接到LMMS，另一端連接到外部設備。

4.釣魚線

我們用釣魚線把電線密封起來，既薄又耐用。一根釣魚線綁得很緊，將LMMS固定在里面并固定電極，防止LMMS泄漏和電極滑落。

該變剛度導線具有優異的導電性、靈活性和在磁場中改變剛度的能力。圖1c展示了導線的柔性和電子導電性。我們通過薄銅電極連接電路以點亮LED，然后拉伸電線（從4厘米拉伸到20厘米）；在整個拉伸過程中，LED的亮度幾乎沒有變化。

我們進一步驗證了金屬絲的可調剛度能力。如圖1d所示，當我們將未磁化的鐵塊（重量約2.5公斤）放置在電線上時，柔性電線立即被壓扁，觀察到約77%的高度變化（直徑從6毫米降至1.4毫米）。

當我們用磁化的鐵塊（表面磁通密度為550mT）代替鐵塊時，金屬絲的形狀變化相對較小（~50%）。

向導線施加磁場后，LMMS中的Fe顆粒傾向于沿施加磁場的方向排列，如圖1b所示。這種粒子排列提供了機械自適應響應，即從隨機方向逐漸改變為鏈或柱結構，然后是剛性鏈。

隨著剛性鏈的出現，LMMS的粘度增加，所需的剪切力也增加。我們采用這個原理來控制電線的剛度。隨著磁通密度的增加，導線的剛度增加。

三、結果和討論

1.調查影響電導率的因素

我們研究了拉伸和磁場對導線導電性的影響（基于EGaIn）。如圖2a所示，當我們將導線從原來的4厘米長度拉伸到20厘米時，電阻從~20米Ω增加到~30米Ω。這是因為拉伸會增加導線的長度并減小導線的直徑，從而導致電阻增加。

我們注意到，盡管拉伸會導致導線電阻增加，但該值一直處于較低水平。圖2b顯示了當我們施加具有不同磁通密度的場時，導線的電阻變化，這可能會影響導線中Fe顆粒的排列。

我們發現，隨著磁通密度的增加，導線電阻略有變化，液態金屬和Fe顆粒的質量比（mLM:mFe）影響電阻率；電阻隨著比率的增加而逐漸減小，這是因為Fe具有比EGaIn更高的電導率。因此，添加更多的Fe顆粒將降低混合物的整體電阻率。

（圖2:電線導電性和變剛度特性的表征）

2.研究影響剛度的因素

考慮到直接測量鋼絲剛度的難度和準確性，我們采用了間接測量方法。

通過使用不同表面磁通密度的永磁體，來提供導線徑向方向的磁場，并使用不同質量的權重來將導線壓縮到相同的變形（導線徑向方向），再加上存在或不存在磁場時的權重-質量比來定性表征剛度變化。

此外，我們應用激光來放大變形，如圖2c的插圖所示。當我們增加磁通密度或Fe的質量含量時，觀察到硬度提高（圖2c）。我們認為，無論是更大的磁通密度還是更高的Fe顆粒含量，都會增強Fe顆粒的鏈狀結構，增強線材的剛度。

我們進一步探討了徑向磁場對導線軸向變形的影響，如圖2d所示。我們將金屬絲置于均勻的磁場中，并懸掛50克重物，以提供恒定的張力來拉伸金屬絲。

當添加潤滑油來填充間隙時，電線和限制其位置的通道之間幾乎沒有摩擦。我們觀察到，在相同的張力下，增加磁場強度不僅減緩了線材的拉伸速度，還減少了線材的變形量。

3.各種剛度線的應用

在考察了影響各種剛度性能的參數后，我們研究了金屬絲在可拉伸電子和軟機器人領域的應用。圖3a顯示了在電磁鐵前面使用LMMS導線的“USTC”顯示。

電磁鐵能夠產生45mT的磁場，通過增加電線的剛度并在電線和電磁鐵芯之間產生更大的摩擦來保持電線的形狀。即使懸掛50克的重物也不能改變金屬絲的形狀。我們使用潤滑油來最大限度地減少摩擦的影響，以證明剛度的變化是主要影響。

此外，可以通過改變形狀和分離內部的LMMS來斷開導線。這種能力可以通過用手按壓和摩擦電線來斷開電路，然后松開以重新連接來證明（圖3b）。需要約160 MPa的壓力才能使電流達到幾乎0 mA（圖3c）。

（圖3。各種剛度鋼絲的應用示例）

基于金屬絲的鐵磁性和拉伸性，我們設計了一種由電磁鐵驅動的軟夾具。將兩根電線并排放置在電磁鐵的正下方，作為夾具的接觸部分。

當電磁體“關閉”時，電線自然下垂（圖3d），當電磁體切換到“打開”時，由于中心區域的磁通密度較大，電線不僅向上收縮，而且徑向收縮。在收縮過程中，金屬絲包裹著要夾緊的物體，金屬絲的剛度在摩擦的作用下保持其形狀并牢牢地固定住。

基于可變剛度金屬絲的夾具可用于夾持各種形狀的物體，如圖3d所示。此外，通過精確控制磁場強度，我們的夾持器有可能為被夾持的物體提供軟接觸。

利用線材的變剛度和導電特性，提出了一種自推進變剛度線材。這種變剛度導線與粗導線（0.8 mm）和高匝數（~800）的銅線圈串聯連接到電路中。線圈纏繞在塑料管（其中包含可變剛度線材）上，以避免線材的拉伸性受到限制。

此外我們在管道中涂抹了潤滑油，以最大限度地減少摩擦的影響。向線圈施加電流（~6 a）會產生磁場（~34 mT），從而增加位于中心的導線的剛度。與非磁場環境相比，懸掛200 g重物時，電線的伸長率從48 mm降低到41 mm，占原始長度的15%。

為了增加線材的變剛度范圍，我們探索了用Ga代替EGaIn來提高線材在室溫下的剛度。Ga基LMMS線材的剛度變化，主要有液固相變和磁流變兩種方式。

在室溫下，固態Ga-LMS表現出類似Ga的行為，并且導線是剛性的。當我們使用感應加熱器將金屬絲加熱至約40°C時，金屬絲中的固態Ga LMMS迅速變為液態，其性能與用EGaIn制成的LMMS相似。

我們通過拉伸和壓縮，測量了金屬絲在不同狀態下的楊氏模量。圖4a顯示了Ga基LMMS線材在固態下的拉伸性能。

在拉伸試驗中，我們發現，在相同的線材長度和直徑下，質量比（mGa:mFe）越大，極限強度和楊氏模量就越大。當比值從1.5增加到5時，極限拉應力從10.17MPa增加到19.88MPa。壓縮實驗也驗證了這一點（圖4b）。

在返回階段，比率為1.5和5的樣品的楊氏模量分別為434MPa和733MPa。金屬絲剛度在固態和液態下的變化趨勢不同。我們認為，Fe顆粒會在顆粒周圍引起局部應力，導致固態線材的機械性能降低。

（圖4。Ga基LMMS導線的機械性能表征）

圖4c顯示了在不同磁通密度下，金屬絲在液態下的壓縮應力-應變曲線。在整個過程中，我們使用非接觸式感應加熱器將溫度保持在約50°C，以確保電線處于液態。在相同的應變下，所需的應力隨著磁通密度的增加而增加（圖4c）。

圖4d顯示了不同質量比下金屬絲在液態下的壓縮應力-應變曲線。在48%的應變下，隨著比率的增加，觀察到線材的所需應力從316kPa降低到142kPa。

Ga基LM的流體性質已被用于制造具有自修復能力的電路。因此，我們還探索了Ga基導線的自修復能力。

為了證明這一點，我們首先將Ga基導線連接到電路上，以點亮LED。由于導線內部的固態Ga基LMMS具有高剛度但相當脆弱，因此導線容易受到外部碰撞（斷裂或壓碎）引起的機械變形的影響，從而導致電路斷開。

然而這個問題可以通過加熱導線以引入Ga填料的相變來解決。LMMS在加熱至~40°C時熔化為液態，由于液態金屬在重力作用下的流動性，LMMS可以順利流動和合并以修復回路（圖4e）。

此外，由于Fe顆粒的添加使LM晶體在Fe顆粒表面生長，抑制了Ga的過冷，因此金屬絲可以在室溫（~20°C）下固化。

結論：

我們提出了一種基于液態金屬磁活性漿料的可逆變剛度線材，這種電線在暴露于磁場時表現出顯著的剛度增加，并且響應幾乎是瞬間的。該導線具有高度柔性和高導電性，即使在拉伸400%后也能導電。

在暴露于磁場時，導線可以保持形狀并承受低負載而不變形。通過使用Ga制備LMMS，可以通過誘導相變來進一步增加線材剛度的變化范圍。我們進一步演示了使用這種金屬絲制作可以抓取各種形狀物體的磁控夾持器。

我們所研究的LMMS導線具有良好的柔韌性、高電導率以及在施加刺激時改變其剛度的能力，這為未來開發更復雜的智能材料柔性功能器件鋪平了道路。

參考文獻：

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