微尺度上定向磁化、隨形組裝的微型永磁鐵在軟體機(jī)器人、微流控系統(tǒng)和柔性可穿戴電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。然而，微型永磁鐵的局部磁化調(diào)制和隨形組裝仍面臨顯著挑戰(zhàn)：一般來(lái)說(shuō)，需要施加局部強(qiáng)磁場(chǎng)（~2 T）或高溫（~309 ℃）克服微磁鐵本征高矯頑力，而在微尺度下精準(zhǔn)調(diào)整每個(gè)微磁鐵組件的隨形組裝朝向則受到空間精度和組裝效率較低的技術(shù)限制。以上挑戰(zhàn)嚴(yán)重限制了磁性器件的發(fā)展。
近日，香港大學(xué)、香港理工大學(xué)、南方科技大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)從趨磁細(xì)菌的線性結(jié)構(gòu)得到靈感，開(kāi)發(fā)了線性磁鐵微單元選擇性磁化調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度磁場(chǎng)調(diào)制和高效隨形組裝，研究論文以“Linear magnet with fluid-solid-switchable cells for flexible devices”為題發(fā)表在Nature Communications。香港大學(xué)博士生鄧啟宇為第一作者，香港理工大學(xué)王立秋講席教授、香港大學(xué)尹曉波教授、香港大學(xué)李威博士（現(xiàn)上海交通大學(xué)副教授）和南方科技大學(xué)唐欣副教授為論文的通訊作者。
該研究受趨磁細(xì)菌（Magnetospirillum magneticum）的線性結(jié)構(gòu)啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了一種線性磁鐵（Linear magnet），該磁鐵由水凝膠基體和離散分布的磁性微單元組成。微單元內(nèi)含釹鐵硼磁性微顆粒（~5 μm）和相變材料。該研究利用局部激光加熱（約40 ℃）觸發(fā)相變材料熔化，解除顆粒界面約束。目標(biāo)單元的磁化方向從而得以在弱磁場(chǎng)（≤30?mT）輔助下，在三維空間中被任意重新定向，克服了高矯頑力磁鐵磁化調(diào)制的苛刻條件。線性磁鐵每個(gè)單元能夠以高分辨率（~150?μm）獨(dú)立編程，并具備優(yōu)良的拉伸性能，支持隨形構(gòu)建圖案化磁場(chǎng)，適用于軟體驅(qū)動(dòng)、柔性傳感和可穿戴信息編碼等多種應(yīng)用（圖1）。
圖1 線性磁鐵的組成、工作原理及性能
該研究采用微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高通量（>0.5 m·min?1）、高精度線性磁鐵一體化制造。線性磁鐵由水凝膠包裹磁性微單元組成，通過(guò)調(diào)節(jié)激光，可實(shí)現(xiàn)每個(gè)微單元磁化方向獨(dú)立調(diào)制。在外界磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，該磁鐵還可以實(shí)現(xiàn)可控形變（圖2）。
圖2 線性磁鐵的制造方法、磁化調(diào)制原理和效果
該研究展示了線性磁鐵在信息編碼、隨形構(gòu)建可編程磁性表面與智能可穿戴器件中的多功能應(yīng)用。該線性磁鐵的每個(gè)磁性微單元可以獨(dú)立編程，可在微米尺度上重寫(xiě)并記錄字符（如字符“H”、“K”、“U”的ASCII碼）。借助其隨形組裝能力，線性磁鐵可以構(gòu)建復(fù)雜的二維可編程磁表面。也可以整合進(jìn)織物中形成信息可重寫(xiě)的磁性可穿戴設(shè)備，用于在智能穿戴設(shè)備上記錄密碼等信息。該技術(shù)為構(gòu)建可重編程磁功能器件提供了新路徑（圖3）。
圖3 線性磁鐵的隨形組裝、調(diào)制及其在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用
線性磁鐵還適用于多種微型機(jī)器人系統(tǒng)。通過(guò)激光誘導(dǎo)磁化調(diào)制，線性磁鐵可在原位動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)磁響應(yīng)行為。除此之外，該線性磁鐵還具有離子導(dǎo)電能力，結(jié)合其內(nèi)部溫度敏感的相變材料，可以用于溫度報(bào)警器等應(yīng)用；谥饐卧呕幊蹋性磁鐵還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜磁控形變。由于其獨(dú)特的類纖維形狀，該磁鐵還可在類血管狹窄通道中清除障礙。其水凝膠外殼還能夠被可控溶解，實(shí)現(xiàn)纖維態(tài)與粒子群的可逆切換，展現(xiàn)其在微創(chuàng)醫(yī)療與藥物遞送中的多場(chǎng)景適應(yīng)性（圖4）。
圖4 基于線性磁鐵開(kāi)發(fā)的多功能柔性機(jī)器人系統(tǒng)
該線性磁鐵還可用作柔性編碼器，適用于閉環(huán)控制等工程場(chǎng)景。此外，該磁鐵所編碼信息還可被實(shí)時(shí)解碼，耦合驅(qū)動(dòng)下游驅(qū)動(dòng)器，如通過(guò)解碼算法控制LED燈按預(yù)設(shè)順序點(diǎn)亮，展示了其在邏輯控制中的應(yīng)用潛力（圖5）。
圖5 基于線性磁鐵開(kāi)發(fā)的柔性編碼器及其解碼展示
本研究提出了一種可編程線性磁鐵，結(jié)合微流控高通量組裝與激光加熱局部磁化重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高矯頑力微磁鐵在柔性基底中的高分辨率磁化調(diào)控。該線性磁鐵在隨形構(gòu)建磁性表面、集成可穿戴系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人以及實(shí)現(xiàn)柔性編碼控制等方面展現(xiàn)出優(yōu)異性能，在柔性電子、微創(chuàng)醫(yī)療和軟體機(jī)器人領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59663-9
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