CN110843163B - 一种软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法 - Google Patents

一种软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于磁畴编程技术领域，公开了一种软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法，将含有硬磁颗粒的软材料在设定变形下磁化，通过编辑变形梯度来实现磁畴编程；在软材料中添加硬磁微粒；根据所需的磁畴分布设计出相应变形梯度所对应的形状，并制作一套轮廓为该设计形状的相互配合的模具；将样品夹在模具中间，模具相互配合使样品变形至所设计的轮廓形状；保持约束状态，放入均匀磁场中磁化，在样品中引入程序化磁畴；样品恢复原状后内部已形成与所设计变形梯度对应的复杂磁畴分布。本发明操作简单，易于批量生产且实现周期短、成本低，为复杂磁畴编程的快速实现提供了理论依据和实践指导；可用于磁控智能机器人、柔性电子、生物医疗器械等领域。

Description

一种软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法
技术领域
本发明属于磁畴编程技术领域，尤其涉及一种软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法。
背景技术
软体机器人作为一个新兴的研究课题，以其相较于刚性机器人有更高的自由度，更强的灵活性，备受关注。磁驱动软体机器人作为软体机器人的一种，在无线控制、动作复杂度和响应速度等方面又明显优于其他驱动形式的软体机器人，成为目前的研究热点。
磁性智能软机器具有无线、无需储能设备、快速有力形变、可编程遥控以及高生物相容性等优点，可通过巧妙的设计结构、编辑磁畴、控制外加磁场的强度与方向变化，实现各种不同的变形、运动和功能，包括爬行、滚动、抓持等，达到现有驱动方式很难实现的功能。磁控智能软体机器人可以在人体血管、食道、体腔中手术以及传送、释放药物，是体内医疗机器人的理想选择，对生物医疗领域有着重要的影响。可重构电子是一种通过可控机械形变来实现电器功能的新型电子仪器。不同于现有通过预拉伸弹性基底的实现方式，基于磁性智能材料排布电路和电子功能原件，在外加磁场的遥控下变形成不同状态，以达到不同电器功能。
磁控智能软体机器人可实现各种复杂动作和运动形式以满足功能需求，其核心是复杂的激励磁场和复杂的磁畴分布，可见通过磁畴编程来实现所需复杂磁畴分布是其关键技术之一。
目前，传统编辑材料中磁畴分布的方法形式单一，如通过改变不同部位磁化的角度再进行组合(专利CN 110076749 A)，控制磁性颗粒的分布分段编程再进行组合(专利CN109866231 A)，通过此类方法获得的磁畴分布简单、大小或方向相同，分段编程组合后各部位分布不连续，能够实现的变形和运动形式相对有限，实现不了一些复杂的功能，限制了其广泛应用。
中国专利CN 107993830 A公开了一种3D打印刚性磁性材料的装置与方法，打印过程进行个性化磁化，可以获得具有复杂结构和磁畴特殊排布的磁性零件。2018年美国麻省理工大学赵宣和团队在国际顶级期刊Nature上发表文章，利用定制的3D打印机实现软材料中复杂磁畴打印。由于上述专利和文章中3D打印均采用熔融沉积式成型(FDM)，势必会因打印机分辨率限制造成材料内部磁畴大小和方向的不连续，以及材料强度降低，且需要定制的3D打印设备，其构造复杂、成本高昂。
因此，亟需一种复杂磁畴编程的快速实现方法以解决现有技术中存在的问题，实现连续复杂磁畴编程的快速形成。迄今为止，国内外关于实现连续的复杂磁畴编程的方法仍为空白，所以研究一种简单的快速实现方法具有重要意义。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有关于磁畴形成的技术中，简单的方法都只能形成简单的磁畴分布；复杂的3D打印方法存在材料强度降低、磁畴大小和方向分布不连续的问题，且设备构造复杂、成本高昂。
解决上述技术问题的难点：研究一种简单且易于操作的方法，既要实现一体成型、不降低材料强度，又要形成大小和方向连续变化的复杂磁畴分布。解决上述技术问题的意义：填补国内外关于快速实现连续复杂磁畴编程方法的空白，在不降低材料强度前提下，形成大小和方向连续的复杂磁畴分布，在磁场驱动下产生任意设定的复杂形变和运动状态，实现丰富多彩的驱动行为，满足各种应用场景的需求。可用于磁控智能机器人、柔性电子、生物医疗器械等领域。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法。
本发明是这样实现的，一种软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法，通过编辑变形梯度来实现磁畴编程，所述方法包括以下步骤：
步骤一，在弹性胶体材料中添加硬磁微粒，通过将弹性胶体材料与硬磁微粒按一定比例均匀混合，倒入铸模中加热快速固化，实现材料一体成型。
步骤二，根据所需磁畴分布编辑变形梯度，设计对应变形梯度的变形形状，并制作一套相应轮廓形状的模具，用于辅助样品产生特定形变。
步骤三，将固化后的样品夹在模具中间，模具相互配合使样品变形至所设计轮廓形状，实现变形梯度的编辑。
步骤四，保持样品被模具约束状态，放入均匀磁场中磁化，实现磁畴编程，该变形状态对应变形梯度与所设计磁畴分布直接相关。
步骤五，磁化后将其取出，样品恢复原状后，内部已形成与所设计变形梯度对应的程序化磁畴。
进一步，所述弹性胶体材料优选但不仅限于聚二甲基硅氧烷PDMS或铂催化硅橡胶Ecoflex等硅橡胶材料，所述硬磁微粒包括但不限于铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、钡铁氧体和锶铁氧体等永磁铁氧体、稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料，所述混合配比根据需求颗粒质量比设定在10％-70％为佳。
进一步，步骤一中，所述铸模几何形状可任意设置来获得给定样品外形，所述固化一般在40℃-150℃温度范围进行加热固化，固化时间一般为0.5h-4h。
进一步，步骤二中，所述模具可通过3D打印或铸造等手段制作，所述模具形状是根据所需磁畴分布进行设计的，其设计依据为所求得的变形梯度。所述磁畴分布表达式为：
Figure BDA0002265195660000031
其中，
Figure BDA0002265195660000032
是变形前的磁畴分布，F是变形梯度，J是F的行列式，Br是变形状态下的磁畴分布(与磁化磁场方向相同，大小可通过实验测得)。从公式可以看出，Br是已知量，只要求出变形梯度F，就可以得到恢复形状后的磁畴分布，即编辑的程序化磁畴。同理，当所需磁畴分布
Figure BDA0002265195660000041
给定时，可根据公式求出变形梯度，进而得到所需的设计形状，即所需设计的模具轮廓形状。
进一步，步骤四中，所述磁化磁场为由一对亥姆霍兹线圈通电或永磁铁产生的均匀磁场；所述磁化方向β可根据所需磁畴分布任意调整；相应地，所述磁化磁场可表示为Bmagnetizing＝(sinβ,0,cosβ)·|Bmagnetizing|，其中|Bmagnetizing|为磁化磁场大小；沿着磁化磁场方向，所述磁化后磁畴分布为Br＝(sinβ,0,cosβ)·|B|，其中|B|为样品单位体积内磁通密度大小。
进一步，所述用于软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法还包括在空间产生大小和方向变化的非均匀磁场实现磁化编程。
本发明的另一目的在于提供一种所述用于软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法在磁控软体导丝机器人中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种所述用于软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法在血管支架中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种所述用于软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法在负泊松比材料中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种所述用于软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法在可重构电子中的应用。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供的复杂磁畴编程的快速实现方法，填补了国内外快速实现复杂连续磁畴编程方法方面的空白。本发明能实现连续复杂的磁畴编程，且完成磁畴编程周期短、成本低，能有效解决现有技术只能形成简单连续的磁畴或者复杂不连续的磁畴问题，同时避免了3D打印降低材料强度、设备构造复杂且成本高昂的问题，为复杂连续磁畴编程的快速实现提供理论依据和实践指导。本发明可用于磁控智能机器人、柔性电子、生物医疗器械等领域，如应用在磁控软体导丝机器人，针对复杂血管网络进行快速导航和微创手术；血管支架，血管介入微创手术，通过扩张狭窄动脉、改善局部供血；体内药物传送；负泊松比材料；可重构电子；生物芯片；驱动器件等。
附图说明
图1是本发明实施例提供的软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法流程图。
图2是本发明实施例提供的将材料混合倒入一定外形铸模的示意图。
图3是本发明实施例提供的将材料放置保温箱固化后的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的轮廓形状对应所设计变形梯度的相互配合的模具示意图。
图5是本发明实施例提供的将固化后的样品夹在模具中间变形至设计形状的示意图。
图6是本发明实施例提供的将样品放置入均匀磁场进行磁化示意图。
图7是本发明实施例提供的磁化完成后样品恢复原状的示意图。
图8是本发明实施例提供的任意一个截面磁畴变化示意图。
图9是本发明实施例提供的任意二维磁畴编程对应的变形状态；
图中：图(a)为变形前示意图；图(b)为的变形后示意图；图(c)为变形为半圆的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法包括以下步骤：
S101：在弹性胶体材料中添加硬磁微粒，通过将弹性胶体材料与硬磁微粒按一定比例均匀混合(如图2所示)，倒入铸模中加热快速固化(如图3所示)，实现材料一体成型。
S102：根据所需磁畴分布编辑变形梯度，设计对应变形梯度的变形形状，并制作一套相应轮廓形状的模具，用于辅助样品产生特定形变(如图4所示)。
S103：将固化后的样品夹在模具中间，模具相互配合使样品变形至所设计轮廓形状，实现变形梯度的编辑(如图5所示)。
S104：保持样品被模具约束状态，放入均匀磁场中磁化(如图6所示)，实现磁畴编程，该变形状态对应变形梯度与所设计磁畴分布直接相关。
S105：磁化后将其取出，样品恢复原状后(如图7所示)，内部已形成与所设计变形梯度对应的程序化磁畴；任意一个截面磁畴变化展示如图8所示。
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例
如图9所示，为便于说明问题，本例为二维变形情况，假设样品仅在X1-X3平面有变形，在X2方向未发生变形(实际上X1X2X3任意方向均可发生变形)，图9a为变形前的形状(长、宽、厚分别为L，W，C)，图9b为任意变形后的形状，该变形对应的应变梯度可表示为：
Figure BDA0002265195660000061
其中，f(X1)表示样品中性层的任意变形，是关于自变量X1的函数表达式；f′是f(X1)对变量X1的一阶导数；f″是f(X1)对变量X1的二阶导数；g(X1)为中性层内同一物质点在变形前后的横坐标之差，其表达式为g(X1)＝x1-X1；g′是g(X1)对变量X1的一阶导数；g″是g(X1)对变量X1的二阶导数；ζ为垂直于中性面方向的曲线坐标；根据不可压缩假设，可以得到
Figure BDA0002265195660000062
表达式为：
Figure BDA0002265195660000071
假设磁化磁场表达式为Bmagnetizing＝(sinβ,0,cosβ)·|Bmagnetizing|，则沿着磁化磁场方向，样品内剩磁可以表示为Br＝(sinβ,0,cosβ)·|B|，根据变形前后样品内磁畴分布表达式
Figure BDA0002265195660000072
可求出恢复形状后样品内的磁畴分布，即编程得到的磁畴分布：
Figure BDA0002265195660000073
Figure BDA0002265195660000074
Figure BDA0002265195660000075
其中
Figure BDA0002265195660000076
分别为得到的磁畴分布在三个方向的分量。
如图9c所示，中性层变形为半径r＝L/π的标准半圆弧，即图9b的特例，其变形梯度可具体表示为：
Figure BDA0002265195660000077
对应此变形状态编程得到的磁畴分布为：
Figure BDA0002265195660000078
Figure BDA0002265195660000079
Figure BDA00022651956600000710
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法，其特征在于，所述软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法，通过编辑变形梯度来实现磁畴编程，包括以下步骤：
步骤一，在弹性胶体材料中添加硬磁微粒，通过将弹性胶体材料与硬磁微粒按一定比例均匀混合，倒入铸模中加热快速固化，实现材料一体成型；
步骤二，根据所需磁畴分布编辑变形梯度，设计对应变形梯度的变形形状，并制作一套相应轮廓形状的模具，用于辅助样品产生特定形变；
步骤三，将固化后的样品夹在模具中间，模具相互配合使样品变形至所设计轮廓形状，实现变形梯度的编辑；
步骤四，保持样品被模具约束状态，放入均匀磁场中磁化，实现磁畴编程，该变形状态对应变形梯度与所设计磁畴分布直接相关；
步骤五，磁化后将其取出，样品恢复原状后，内部已形成与所设计变形梯度对应的程序化磁畴。
2.如权利要求1所述的软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法，其特征在于，所述弹性胶体材料为聚二甲基硅氧烷PDMS或铂催化硅橡胶Ecoflex，所述硬磁微粒为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、钡铁氧体或锶铁氧体永磁铁氧体、稀土钴永磁材料或钕铁硼永磁材料，所述混合配比根据需求设定硬磁颗粒质量比在10％-70％。
3.如权利要求1所述的软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法，其特征在于，步骤一中，所述铸模形状根据给定样品外形需求任意设置，所述固化在40℃-150℃温度范围进行加热固化，固化时间为0.5h-4h。
4.如权利要求1所述的软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法，其特征在，步骤二中，所述模具通过3D打印或铸造手段制作，所述模具形状是根据所需磁畴分布进行设计的，其设计依据为所求得的变形梯度；
所述磁畴分布表达式为：
Figure FDA0002767157340000021
其中，
Figure FDA0002767157340000022
是变形前的磁畴分布，F是变形梯度，J是F的行列式，Br是变形状态下的磁畴分布，与磁化磁场方向相同，大小可通过实验测得；
从公式可以看出，Br为已知量，只要求出变形梯度F，就可以得到恢复形状后的磁畴分布，即编辑的程序化磁畴；同理，当所需磁畴分布
Figure FDA0002767157340000023
给定时，可根据公式求出变形梯度，进而得到所需的设计形状，即所需设计的模具轮廓形状。
5.如权利要求1所述的软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法，其特征在，步骤四中，放置方向根据所需磁畴分布任意调整；所述磁化磁场由一对亥姆霍兹线圈通电或永磁铁产生的均匀磁场，表示为Bmagnetizing＝(sinβ,0,cosβ)·|Bmagnetizing|，其中|Bmagnetizing|为磁化磁场大小，β为磁化磁场方向相对于样品的方位角；沿着磁化磁场方向，所述磁化后磁畴分布为Br＝(sinβ,0,cosβ)·|B|，其中|B|为样品单位体积内磁通密度大小。
6.如权利要求1所述的软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法，其特征在于，所述用于软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法还包括在空间产生大小和方向变化的非均匀磁场实现磁化编程。
7.一种如权利要求1～6任意一项所述软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法在磁控软体导丝机器人中的应用。
8.一种如权利要求1～6任意一项所述软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法在血管支架中的应用。
9.一种如权利要求1～6任意一项所述软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法在负泊松比材料中的应用。
10.一种如权利要求1～6任意一项所述软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法在可重构电子中的应用。
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