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  活性折紙結(jié)構(gòu)織物（AFO）能在外界刺激下實(shí)現(xiàn)可逆形變，在智能紡織品和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前主要挑戰(zhàn)在于復(fù)雜AFO結(jié)構(gòu)的精確控制與規(guī)模化生產(chǎn)。本研究提出了通過(guò)數(shù)字化刺繡磁性紗線實(shí)現(xiàn)AFO的策略，即通過(guò)紡織工程技術(shù)規(guī)�；苽淞思婢吒叽艑�(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性的磁性紗線，并采用數(shù)字化刺繡技術(shù)將其編程為預(yù)定義的折紙結(jié)構(gòu)圖案，構(gòu)建出功能穩(wěn)定的AFO。制備的AFO在磁場(chǎng)作用下可實(shí)現(xiàn)表面粗糙度調(diào)控、線性致動(dòng)和動(dòng)態(tài)熱管理等多種功能，為可穿戴設(shè)備和智能結(jié)構(gòu)等應(yīng)用提供了創(chuàng)新解決方案。

  2025年6月17日，文章以“Active Fabric Origami Enabled by Digital Embroidery of Magnetic Yarns” 為題發(fā)表在Advanced Materials上。文章的第一作者為李海瓊碩士，通訊作者為蒲俊宏博士。文章通訊單位為香港理工大學(xué)智能可穿戴系統(tǒng)研究院、香港理工大學(xué)時(shí)裝及紡織學(xué)院。

可刺繡磁性紗線的制備

  基于羰基鐵粉(CIP)的高磁導(dǎo)率及低矯頑力和高密度聚乙烯(HDPE)的優(yōu)異紡絲性能，通過(guò)熔融共混技術(shù)制備將HDPE與CIP復(fù)合，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)成功制備出高填充量（70 wt.%）且可紡性良好的磁性復(fù)合材料。采用熔體紡絲與后拉伸工藝提升纖維力學(xué)性能，隨后將四根磁性纖維加捻成紗，并經(jīng)熱定型處理獲得最終磁性紗線。該磁性紗線具有良好的可加工性，可直接通過(guò)數(shù)字化刺繡機(jī)縫制到織物基底上。這種可刺繡磁性紗線為開(kāi)發(fā)智能紡織品提供了關(guān)鍵材料基礎(chǔ)。

圖一大規(guī)模生產(chǎn)可刺繡磁性紗線及其用于制備數(shù)字化刺繡圖案

磁性紗線的各向異性行為

  制備的磁性紗線具有明顯的磁各向異性，平行和垂直于其長(zhǎng)度方向的磁化曲線不同，飽和磁化強(qiáng)度達(dá)120.5 emu g^?1。獨(dú)立磁性紗線在磁場(chǎng)中與磁場(chǎng)方向以非平行任意角度放置時(shí)均受磁扭矩作用，最終紗線與磁場(chǎng)對(duì)齊，此時(shí)紗線在所處磁場(chǎng)中磁能達(dá)最小值。

圖2 磁性紗線的磁化曲線及其驅(qū)動(dòng)

磁性織物鉸鏈的折疊機(jī)制

  通過(guò)數(shù)字化刺繡磁性紗線制備了磁活性織物鉸鏈作為折紙結(jié)構(gòu)織物的基本工作單元，由兩塊對(duì)稱的矩形磁性織物（間距3mm）集成在聚酯布基底上。在垂直磁場(chǎng)作用下，磁性織物產(chǎn)生的磁矩使鉸鏈能在窄磁場(chǎng)范圍（0-275 mT）內(nèi)實(shí)現(xiàn)大角度折疊（20°-151°），實(shí)驗(yàn)與有限元模擬結(jié)果高度吻合。該鉸鏈結(jié)構(gòu)經(jīng)多次洗滌后仍保持折疊性能，并在1000次連續(xù)驅(qū)動(dòng)疲勞測(cè)試中表現(xiàn)穩(wěn)定。

圖三磁活性織物鉸鏈結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)性能

磁性AFO

  基于具有優(yōu)異折疊性能和耐久性的磁活性織物鉸鏈，構(gòu)建了多種可編程變形的磁驅(qū)動(dòng)AFO。首先，設(shè)計(jì)了經(jīng)典的Miura-ori結(jié)構(gòu)的AFO，由九個(gè)特定排列磁性紗線的磁活性織物單元組成，在交變垂直磁場(chǎng)作用下在展開(kāi)與折疊結(jié)構(gòu)間可逆切換，導(dǎo)致織物表面粗糙度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度（0-345 mT）在1.25 mm至1.88 mm范圍內(nèi)連續(xù)變化，其對(duì)應(yīng)特征頂點(diǎn)角的范圍為118°至81°。其次，設(shè)計(jì)了基于Kresling折紙的管狀線性致動(dòng)器，其在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下可從25 mm壓縮狀態(tài)展開(kāi)，產(chǎn)生15 mm軸向位移。此外，還構(gòu)建了仿生3D花朵AFO，在350-0 mT磁場(chǎng)調(diào)控下實(shí)現(xiàn)從花蕾到綻放的動(dòng)態(tài)模擬。

圖四磁性AFO結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其驅(qū)動(dòng)性能

活性間隔織物的熱管理調(diào)控行為

  該研究進(jìn)一步設(shè)計(jì)了具有三維結(jié)構(gòu)的磁活性間隔織物，通過(guò)在兩個(gè)非磁性織物之間采用鞭縫線跡工藝縫合磁性織物面板，構(gòu)建織物摩擦鉸鏈。該間隔織物能在無(wú)外力作用下保持穩(wěn)定的立/倒形態(tài)，并通過(guò)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)立/倒形態(tài)快速切換（~0.2秒），無(wú)需持續(xù)施加磁場(chǎng)，單次驅(qū)動(dòng)切換能耗僅55.76 J。熱管理測(cè)試表明：在60℃恒定熱源條件下，磁活性間隔織物立態(tài)（15mm厚度）時(shí)，通過(guò)滯留空氣層實(shí)現(xiàn)76.05×10^?3 Km2W?1熱阻，頂層織物表面溫度為28℃；而在倒態(tài)（3mm厚度）時(shí)，熱阻降至36.59×10^?3 Km2W?1，頂層織物表面溫度為45℃。通過(guò)形態(tài)切換，熱阻可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)2.1倍。相較于傳統(tǒng)溫度/濕氣/電熱響應(yīng)織物數(shù)秒級(jí)的響應(yīng)速度，該設(shè)計(jì)兼具快速響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)節(jié)能特性，且具備耐水浸性能，為可穿戴動(dòng)態(tài)調(diào)溫服裝和智能隔熱紡織品提供了新方案。

圖五立/倒可切換的活性間隔織物的結(jié)構(gòu)及其熱調(diào)控性能

  本研究通過(guò)數(shù)字化刺繡技術(shù)將磁各向異性紗線集成到織物中，開(kāi)發(fā)出磁場(chǎng)控制的可逆折疊的AFO。設(shè)計(jì)和展示了如Miura-ori結(jié)構(gòu)、Kresling管狀線性致動(dòng)（行程15 mm）和3D仿生花朵。特別地，設(shè)計(jì)的活性間隔織物可在約0.2秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)立/倒?fàn)顟B(tài)切換，展現(xiàn)出2.1倍熱阻可調(diào)性和，為動(dòng)態(tài)個(gè)人熱管理（如自適應(yīng)服裝）提供了創(chuàng)新解決方案。另外，磁性紗線的規(guī)�；苽渑c折紙紡織技術(shù)的結(jié)合，拓展了磁性紡織材料和結(jié)構(gòu)其在柔性機(jī)器人、可穿戴設(shè)備及自適應(yīng)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用潛力。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202503948