一种软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术操作简单，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。

A fast method of programming complex domains in soft materials

【技术实现步骤摘要】
一种软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法
本专利技术属于磁畴编程
，尤其涉及一种软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法。
技术介绍
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CN110076749A)，控制磁性颗粒的分布分段编程再进行组合(专利CN109866231A)，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CN107993830A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。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种软材料中复杂磁畴编程的快速实现方法。本专利技术是这样实现的，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：其中，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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术的优点及积极效果为：本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，通过扩张狭本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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；/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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所述的用于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所述的用于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所述的用于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：

【专利技术属性】
技术研发人员：龚珣，邓谦，申胜平，谭楷，陈一霄，文馨，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61