作者

张倩倩^§、李瑞^§、陶源、陈羿宇、胡衍雷、吴东、褚家如、李家文*

机构

中国科学技术大学，西南科技大学

Citation

Zhang Q Q, Li R, Tao Y, Chen Y Y, Hu Y L, Wu D, Chu J R, Li J W. 2026. Laser-induced in situ reprogramming of magnetic shape memory composites for adaptive devices. Int. J. Extrem. Manuf. 8 015508. 

免费获取全文

https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae0215

撰稿 | 文章作者

1.文章导读

磁响应复合材料（MRCs）在软体机器人、可变形执行器和生物医学器件等领域展现出巨大应用潜力，但现有MRCs大多依赖软基体，在移除磁场后难以维持复杂变形，且其磁化编程、形变和功能执行常需在不同平台间交替进行，限制了其环境适应性和工作效率。 

针对这些挑战，中国科学技术大学微纳米工程实验室的李家文教授课题组，在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表了题为“Laser-induced in situ reprogramming of magnetic shape memory composites for adaptive devices”的研究论文。 该研究提出了一种创新的可重构磁性形状记忆复合材料（Reprogrammable magnetic shape-memory composite, RM-SMC），通过双激光协同策略，实现了材料磁各向异性的原位重编程、复杂三维结构的原位重构与精确锁定，以及按需功能的即时执行，为开发无需持续外部磁场、能在固定工位完成“变形-执行任务”的智能器件开辟了新途径。

2. 图文解析

本研究的核心创新在于开发了一种激光诱导原位重编程磁性形状记忆复合材料（RM-SMC）及其双激光调控方法，实现了在单一材料体系内对磁学特性、宏观形状和器件功能的“三位一体”原位、按需、可逆调控。

RM-SMC由嵌入相变磁性微胶囊（Neodymium-Iron-Boron @ Ethyl vinyl acetate, NdFeB@EVA）的形状记忆聚合物（Shape memory polymer，SMP）骨架构成。 其独特的双激光调控机制如下（如图1所示）：

 原位磁编程（模式I）：高功率近红外激光（~190 mW）局部精确加热材料，使相变微胶囊（熔点T_p ≈ 85 ºC）内的磁性颗粒（NdFeB）熔融并在外部编程磁场（B_p）下重新取向。 激光关闭后，微胶囊快速冷却固化，新的磁各向异性被“写入”并永久固定。

原位形状重构（模式II）： 低功率激光（~130 mW）局部加热材料至SMP的玻璃化转变温度（Tg ≈ 60 ºC）以上（但低于T_p），使SMP骨架软化。 在外部驱动磁场（B_a）作用下，已编程的RM-SMC发生预设的复杂三维变形。 激光关闭后，SMP冷却变硬，变形结构被精确锁定，无需磁场维持。

这一策略使得RM-SMC能够实现从2D平面到3D结构的变形，更重要的是，它支持在已固定的3D结构上进行局部磁畴的原位再编程和后续的3D到3D直接变形（如图1(e)所示，U形结构可直接变为M形），极大地提升了器件的适应性和多功能性。

图1 RM-SMC的组成、双激光原位编程与形变策略示意图。(a) 材料组成示意；(b) 磁微胶囊的编程与形变模式；(c) 不同激光功率下的温升曲线；(d) RM-SMC薄膜的全局编程与形变过程；(e) RM-SMC薄膜的原位重编程与3D到3D直接形变过程。

研究团队进一步展示了RM-SMC在多功能器件上的应用潜力。例如，基于RM-SMC制作的四单元多自由度驱动器，可通过选择性加热不同关节，在外磁场下实现弯曲、扭转等多种复杂变形，并稳定保持在任意构型，成功应用于多稳态开关（控制不同LED灯亮灭）和主动式太阳能收集器（实时追踪光源方向以最大化能量收集效率）（如图2所示）。

图2 基于RM-SMC的多自由度驱动器及其应用。(a) 多自由度驱动器结构示意；(b) 其作为多稳态开关点亮不同LED；(c-e) 其作为主动式太阳能收集器追踪光源。

另一项亮眼应用是可原位重构叶片角度的磁驱动叶轮泵。通过激光原位编程和重构叶轮叶片的扭转角度，该泵能够适应不同粘度的流体，实现最优泵送效率，解决了传统叶轮泵在变粘度流体中效率低下的问题（如图3所示）。

图3 RM-SMC磁性叶轮的原位编程、重构及在不同粘度流体中的自适应泵送。(a) 叶轮在管道内原位编程、形变与驱动示意；(b) 不同流体粘度下叶轮的最优叶片扭转角及对应流速；(c) 45°和60°叶轮在不同粘度液体中的泵送效果对比。

3. 总结与展望

本研究提出的激光原位重编程磁性形状记忆复合材料（RM-SMC）及其双激光调控方法，通过巧妙的材料设计和多物理场耦合，实现了对材料磁各向异性、三维形状及功能的原位、按需、可逆调控，突破了传统磁响应材料在形状保持、功能集成和操作平台依赖等方面的瓶颈。基于RM-SMC开发的多自由度驱动器和自适应叶轮泵等原型器件，充分展示了其在可重构电子、智能制造、软体机器人及生物医学工程等领域的广阔应用前景。未来，研究团队将致力于优化激光扫描参数与热管理、集成传感反馈实现闭环控制，并深入探索材料的长期服役稳定性及在更复杂场景下的应用潜力。

4.作者简介

李家文，中国科学技术大学

李家文，教授，博士导师。研究方向包括飞秒激光加工技术、加工与检测装备研制、三维打印新方法、微纳功能器件设计与制备、新型光固化材料体系开发等。主持科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金、安徽省重大科技专项、企业技术开发等，共计发表论文100余篇，授权专利十余项，参与制定国际标准和国家标准各一项。