文丨九万

编辑丨九万

引言：

磁流变流体（MRF）在开发大型机械设备方面显示出巨大的潜力，如阻尼器、减震器、旋转制动器、离合器和人工关节。最近，更多的研究重点被投入到使用MRF开发具有可变刚度的柔软、可拉伸和小型化设备上，以实现使用固体智能材料无法实现的功能。

(资料图片)

我们基于液态金属磁活性浆料（LMMS），研究了一种具有优异导电性的变刚度线材。在不暴露于磁场的情况下，LMMS导线具有极低的刚度，并且可以容易地拉伸，同时保持优异的导电性。

当施加磁场时，导线会变得更硬，即使在负载下也能保持其形状。导线的柔性、高导电性和可变刚度的特性相结合，制成了一种可以抓取各种形状物体的柔性夹具。

此外，通过使用镓代替其液态金属合金，LMMS导线的可调刚度范围显著增强，并且可以使用外部磁场和温度诱导的相变来控制。所提出LMMS导线具有在柔性电子、软机器人等领域应用的潜力。

一、简介

磁流变流体（MRF）是智能材料家族中著名的成员之一，因为它在外部磁场的存在下从液态快速可逆地转变为几乎固态。这些流体是通过将磁性微粒分散到载体流体中来制备的。在1T左右的大通量密度磁场下，这些流体的表观粘度会发生几个数量级的变化。

MRF因其独特的优点而广受欢迎，如反应快、流变学变化大、对污染不敏感和制备过程简单。由于MRF的吸引人的特性，它被广泛应用于阻尼器、减震器、旋转制动器、离合器、假肢装置、抛光和研磨装置等的开发。

然而到目前为止，为数不多的基于MRF的刚度变化导线的研究，证明了它有潜力取代传统的刚性导线，促进可拉伸电子和软机器人的发展。这主要是因为目前用于MRF的大多数载液是不导电的。

镓（Ga）及其几种合金是室温或接近室温的液态金属（LM），如EGaIn（75 wt%镓，25 wt%铟）和Galinstan（68.5 wt%镓，21.5 wt%铟，10 wt%锡）。

与汞相比，它们具有高导电性和导热性、大表面张力和低毒性，这些特性使它们在柔性设备中的应用具有吸引力，如可拉伸电子设备、热流管理、能量收集和软致动器。

LMMS材料系统的刚度，可以在短时间内和宽范围内可逆地改变和微妙地控制。磁性LM已被应用于实现3D液滴操作和制作相变液体抓取器；然而，它在可调谐和柔性机械系统中的更广泛应用还有待探索。

今天我们研究了一种基于LMMS制备具有高电导率的变刚度线材的简单方法。当磁通密度低时，导线可以拉伸到400%的大应变，同时保持其高导电性，以稳定地连接电子元件。同时还研究了磁性粒子对金属丝导电性和拉伸性的影响。

当施加磁场时，导线的刚度会显著增加。有趣的是，即使在承受重量后，金属丝也能在磁场中保持其形状。为了突出金属丝的应用潜力，我们提出了一种利用金属丝刚度变化能力控制抓取和释放各种形状物体的夹具。

此外，我们通过在LMMS中用Ga代替EGaIn进一步改变了导线的性质，说明了通过诱导磁流变效应和温度控制的相变来增强可调谐刚度范围的能力。

二、材料和方法

变刚度钢丝由四个主要部分组成：LMMS、一根乳胶管、两个铜电极和一根钓鱼线。

1.LMMS

LMMS是线材的核心部分，因为它提供了各种刚度并保持了形状。LMMS是通过将磁性Fe颗粒（纯铁）分散在Ga基LM基质中形成的，例如EGaIn（图1a）。

具体而言，我们通过在5 mL浓盐酸（HCl）溶液（12 m）中混合1 g Fe微粒（尺寸为5μm）和3 g EGaIn来制备一种LMMS（mEGaIn:mFe=3）。

我们将它们加入一个干净的烧杯中，并将混合物剧烈搅拌至少10分钟。界面处金属间化合物FeGa3的形成使Fe颗粒能够润湿EGaIn中的Ga，从而形成均匀的混合物（图1a）。

纯铁颗粒在搅拌过程中与HCl溶液发生反应。然而，EGaIn和Fe颗粒在HCl溶液中形成原电池，并且HCl由于其低标准电极电势而优先与Ga反应，这阻止了Fe颗粒被HCl溶解。

在使用该混合物制造变刚度线材之前，清洁LMMS并将其在100mL水中浸泡3次以上以去除HCl。在与Fe颗粒混合后，低粘度EGaIn变得粘稠、浆状和浑浊。

（图1。LMMS的变刚度钢丝。a准备过程。b 刚度变化机制。c 通电状态下的拉伸。d非磁性和磁性环境下的压缩。）

2.乳胶管

乳胶管用作电线的套管，并填充LMMS。此外，管子柔软有弹性，使LMMS能够变形并保持不同的形状（图1b）。

3.Cu电极

由于Cu和LM之间具有优异的润湿性能，我们确保了电极和LMMS之间的紧密连接。电极的一端连接到LMMS，另一端连接到外部设备。

4.钓鱼线

我们用钓鱼线把电线密封起来，既薄又耐用。一根钓鱼线绑得很紧，将LMMS固定在里面并固定电极，防止LMMS泄漏和电极滑落。

该变刚度导线具有优异的导电性、灵活性和在磁场中改变刚度的能力。图1c展示了导线的柔性和电子导电性。我们通过薄铜电极连接电路以点亮LED，然后拉伸电线（从4厘米拉伸到20厘米）；在整个拉伸过程中，LED的亮度几乎没有变化。

我们进一步验证了金属丝的可调刚度能力。如图1d所示，当我们将未磁化的铁块（重量约2.5公斤）放置在电线上时，柔性电线立即被压扁，观察到约77%的高度变化（直径从6毫米降至1.4毫米）。

当我们用磁化的铁块（表面磁通密度为550mT）代替铁块时，金属丝的形状变化相对较小（~50%）。

向导线施加磁场后，LMMS中的Fe颗粒倾向于沿施加磁场的方向排列，如图1b所示。这种粒子排列提供了机械自适应响应，即从随机方向逐渐改变为链或柱结构，然后是刚性链。

随着刚性链的出现，LMMS的粘度增加，所需的剪切力也增加。我们采用这个原理来控制电线的刚度。随着磁通密度的增加，导线的刚度增加。

三、结果和讨论

1.调查影响电导率的因素

我们研究了拉伸和磁场对导线导电性的影响（基于EGaIn）。如图2a所示，当我们将导线从原来的4厘米长度拉伸到20厘米时，电阻从~20米Ω增加到~30米Ω。这是因为拉伸会增加导线的长度并减小导线的直径，从而导致电阻增加。

我们注意到，尽管拉伸会导致导线电阻增加，但该值一直处于较低水平。图2b显示了当我们施加具有不同磁通密度的场时，导线的电阻变化，这可能会影响导线中Fe颗粒的排列。

我们发现，随着磁通密度的增加，导线电阻略有变化，液态金属和Fe颗粒的质量比（mLM:mFe）影响电阻率；电阻随着比率的增加而逐渐减小，这是因为Fe具有比EGaIn更高的电导率。因此，添加更多的Fe颗粒将降低混合物的整体电阻率。

（图2:电线导电性和变刚度特性的表征）

2.研究影响刚度的因素

考虑到直接测量钢丝刚度的难度和准确性，我们采用了间接测量方法。

通过使用不同表面磁通密度的永磁体，来提供导线径向方向的磁场，并使用不同质量的权重来将导线压缩到相同的变形（导线径向方向），再加上存在或不存在磁场时的权重-质量比来定性表征刚度变化。

此外，我们应用激光来放大变形，如图2c的插图所示。当我们增加磁通密度或Fe的质量含量时，观察到硬度提高（图2c）。我们认为，无论是更大的磁通密度还是更高的Fe颗粒含量，都会增强Fe颗粒的链状结构，增强线材的刚度。

我们进一步探讨了径向磁场对导线轴向变形的影响，如图2d所示。我们将金属丝置于均匀的磁场中，并悬挂50克重物，以提供恒定的张力来拉伸金属丝。

当添加润滑油来填充间隙时，电线和限制其位置的通道之间几乎没有摩擦。我们观察到，在相同的张力下，增加磁场强度不仅减缓了线材的拉伸速度，还减少了线材的变形量。

3.各种刚度线的应用

在考察了影响各种刚度性能的参数后，我们研究了金属丝在可拉伸电子和软机器人领域的应用。图3a显示了在电磁铁前面使用LMMS导线的“USTC”显示。

电磁铁能够产生45mT的磁场，通过增加电线的刚度并在电线和电磁铁芯之间产生更大的摩擦来保持电线的形状。即使悬挂50克的重物也不能改变金属丝的形状。我们使用润滑油来最大限度地减少摩擦的影响，以证明刚度的变化是主要影响。

此外，可以通过改变形状和分离内部的LMMS来断开导线。这种能力可以通过用手按压和摩擦电线来断开电路，然后松开以重新连接来证明（图3b）。需要约160 MPa的压力才能使电流达到几乎0 mA（图3c）。

（图3。各种刚度钢丝的应用示例）

基于金属丝的铁磁性和拉伸性，我们设计了一种由电磁铁驱动的软夹具。将两根电线并排放置在电磁铁的正下方，作为夹具的接触部分。

当电磁体“关闭”时，电线自然下垂（图3d），当电磁体切换到“打开”时，由于中心区域的磁通密度较大，电线不仅向上收缩，而且径向收缩。在收缩过程中，金属丝包裹着要夹紧的物体，金属丝的刚度在摩擦的作用下保持其形状并牢牢地固定住。

基于可变刚度金属丝的夹具可用于夹持各种形状的物体，如图3d所示。此外，通过精确控制磁场强度，我们的夹持器有可能为被夹持的物体提供软接触。

利用线材的变刚度和导电特性，提出了一种自推进变刚度线材。这种变刚度导线与粗导线（0.8 mm）和高匝数（~800）的铜线圈串联连接到电路中。线圈缠绕在塑料管（其中包含可变刚度线材）上，以避免线材的拉伸性受到限制。

此外我们在管道中涂抹了润滑油，以最大限度地减少摩擦的影响。向线圈施加电流（~6 a）会产生磁场（~34 mT），从而增加位于中心的导线的刚度。与非磁场环境相比，悬挂200 g重物时，电线的伸长率从48 mm降低到41 mm，占原始长度的15%。

为了增加线材的变刚度范围，我们探索了用Ga代替EGaIn来提高线材在室温下的刚度。Ga基LMMS线材的刚度变化，主要有液固相变和磁流变两种方式。

在室温下，固态Ga-LMS表现出类似Ga的行为，并且导线是刚性的。当我们使用感应加热器将金属丝加热至约40°C时，金属丝中的固态Ga LMMS迅速变为液态，其性能与用EGaIn制成的LMMS相似。

我们通过拉伸和压缩，测量了金属丝在不同状态下的杨氏模量。图4a显示了Ga基LMMS线材在固态下的拉伸性能。

在拉伸试验中，我们发现，在相同的线材长度和直径下，质量比（mGa:mFe）越大，极限强度和杨氏模量就越大。当比值从1.5增加到5时，极限拉应力从10.17MPa增加到19.88MPa。压缩实验也验证了这一点（图4b）。

在返回阶段，比率为1.5和5的样品的杨氏模量分别为434MPa和733MPa。金属丝刚度在固态和液态下的变化趋势不同。我们认为，Fe颗粒会在颗粒周围引起局部应力，导致固态线材的机械性能降低。

（图4。Ga基LMMS导线的机械性能表征）

图4c显示了在不同磁通密度下，金属丝在液态下的压缩应力-应变曲线。在整个过程中，我们使用非接触式感应加热器将温度保持在约50°C，以确保电线处于液态。在相同的应变下，所需的应力随着磁通密度的增加而增加（图4c）。

图4d显示了不同质量比下金属丝在液态下的压缩应力-应变曲线。在48%的应变下，随着比率的增加，观察到线材的所需应力从316kPa降低到142kPa。

Ga基LM的流体性质已被用于制造具有自修复能力的电路。因此，我们还探索了Ga基导线的自修复能力。

为了证明这一点，我们首先将Ga基导线连接到电路上，以点亮LED。由于导线内部的固态Ga基LMMS具有高刚度但相当脆弱，因此导线容易受到外部碰撞（断裂或压碎）引起的机械变形的影响，从而导致电路断开。

然而这个问题可以通过加热导线以引入Ga填料的相变来解决。LMMS在加热至~40°C时熔化为液态，由于液态金属在重力作用下的流动性，LMMS可以顺利流动和合并以修复回路（图4e）。

此外，由于Fe颗粒的添加使LM晶体在Fe颗粒表面生长，抑制了Ga的过冷，因此金属丝可以在室温（~20°C）下固化。

结论：

我们提出了一种基于液态金属磁活性浆料的可逆变刚度线材，这种电线在暴露于磁场时表现出显著的刚度增加，并且响应几乎是瞬间的。该导线具有高度柔性和高导电性，即使在拉伸400%后也能导电。

在暴露于磁场时，导线可以保持形状并承受低负载而不变形。通过使用Ga制备LMMS，可以通过诱导相变来进一步增加线材刚度的变化范围。我们进一步演示了使用这种金属丝制作可以抓取各种形状物体的磁控夹持器。

我们所研究的LMMS导线具有良好的柔韧性、高电导率以及在施加刺激时改变其刚度的能力，这为未来开发更复杂的智能材料柔性功能器件铺平了道路。

参考文献：

1.《磁流变液的制备及其稳定性研究进展》，科学之网，阿什蒂亚尼，2015年

2.《基于磁流变制动器的触觉装置的研制》，谷歌学术，科萨希，2006年

3.《一种用于地震控制的新型磁流变阻尼器》，科学之网， 张，2013年

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5.《液态金属纳米粒子中的相分离》，科学之网，米切尔，2019年

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