磁性纤毛——由嵌入的磁性粒子驱动运动的人造毛发——已经存在了一段时间，并且在软机器人、运输物体和混合流动性方面的应用引起了人们的兴趣。 然而，现有的磁性纤毛以固定的方式移动。 研究人员现已展示了一种创建可“重新编程”的磁性纤毛的技术，可以在室温下改变其磁性，从而根据需要改变纤毛的运动。
大多数磁性纤毛利用“软”磁体，它们不会产生磁场，但在磁场存在时会变得有磁性。 以前只有少数磁性纤毛使用了能够产生自己的磁场的“硬”磁铁。 使用硬磁体的优点之一是它们可以编程，这意味着您可以赋予材料产生的磁场特定的极化。 控制磁极化（或磁化强度）可以让您从本质上精确地决定施加外部磁场时纤毛将如何弯曲。
“这项工作的新颖之处在于，我们展示了一种技术，不仅可以对磁性纤毛进行编程，还可以可控地重新编程它们，”该工作论文的通讯作者、材料科学与工程教授 Joe Tracy 说。在北卡罗来纳州立大学。 “我们可以在室温下改变材料的磁化方向，这反过来又使我们能够完全改变纤毛的弯曲方式。这就像让游泳运动员改变他们的泳姿一样。”
在这项工作中，研究人员创造了由嵌入磁性微粒的聚合物组成的磁性纤毛。 具体来说，这些微粒是钕磁铁——由钕、铁和硼制成的强力磁铁。
为了制造纤毛，研究人员将磁性微粒引入溶解在流动性中的聚合物中。 然后将该浆料暴露于足够强大的电磁场以使所有微粒具有相同的磁化强度。 然后，通过在流动性聚合物干燥时施加较弱的磁场，研究人员能够控制微粒的行为，从而形成在基底上规则间隔的纤毛。
特雷西说：“这种规则排列的纤毛地毯最初被编程为在暴露于外部磁场时以统一的方式表现。” “但这里真正有趣的是，我们可以重新编程这种行为，以便纤毛可以重新调整用途以产生完全不同的驱动。”
为此，研究人员首先将纤毛嵌入冰中，将所有纤毛固定在所需的方向。 然后，研究人员将纤毛暴露在阻尼交变磁场中，该磁场具有扰乱微粒磁化的作用。 换句话说，它们基本上消除了制造纤毛时所有微粒共享的预编程磁化强度。
“重新编程步骤相当简单，”特雷西说。 “我们应用振荡场来重置磁化强度，然后对纤毛施加强磁场，这使我们能够沿新方向磁化微粒。”
“通过大部分擦除初始磁化强度，我们能够更好地重新编程微粒的磁化强度，”该论文的第一作者、博士生马特·克拉里（Matt Clary）说。 北卡罗来纳州立大学的学生。 “我们在这项工作中表明，如果省略擦除步骤，则在重新编程时对微粒磁化方向的控制就会减少。”
“我们还发现，当微粒的磁化垂直于纤毛的长轴时，我们可以使纤毛在旋转场中‘卡住’，这意味着它们突然改变方向，”特雷西说。
此外，研究小组开发了一种计算模型，允许用户根据纤毛极化方向预测基于硬磁体的磁性纤毛的弯曲行为。
“这个模型将来可以用来指导硬磁纤毛和相关软执行器的设计，”该论文的合著者、埃隆大学物理学教授本·埃文斯说。
“最终，我们认为这项工作对该领域很有价值，因为它允许将磁性纤毛重新用于新的功能或应用，特别是在远程环境中，”特雷西说。 “这项工作中开发的方法也可以应用于更广泛的磁软执行器领域。”
这篇论文“自组装硬磁纤毛的磁性重编程”已在《先进材料技术》杂志上公开发表。 这篇论文的共同作者是北卡罗来纳州立大学前研究生 Saarah Cantu； 和前博士杰西卡·刘（Jessica Liu） 北卡罗来纳州立大学的学生。
这项工作是在国家科学基金会的支持下完成的，拨款号为 1663416 和 1662641； 以及高等教育紧急救济基金。
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