香港理工大学最新Nature：矢量磁响应纤维突破智能纺织品技术瓶颈

近年来，能响应外部刺激并实现可逆驱动或机械性能调节的纤维材料，在智能纺织品、软机器人和可穿戴技术领域潜力巨大。不过，现有技术大多只能对标量刺激（如电压、温度、湿度和离子浓度）做出响应，缺乏方向可控性和功能多样性。磁流变材料虽能在外磁场下可逆改变流变与力学性能，但其各向异性版本常受限于弹性体基质的刚性，需要高强度磁场，不利于人体安全使用。此外，硬磁纤维在织物集成时面临磁化模式错位、制造精度低和结构不稳定等难题。因此，开发兼具高响应性、柔性安全且易于织造的新型矢量刺激响应纤维材料，成为当前研究的重点和难点。

有鉴于此，香港理工大学陶肖明教授、蒲俊宏助理教授提出了一类矢量刺激响应的磁流变纤维材料。他们通过将纺织结构力学与软磁材料磁学特性相融合的工程模型指导，实现了从纤维到织物的多层次结构设计与性能优化。研究团队大规模生产出具有优异力学与磁学性能的软磁聚合物复合纤维，并将其组装成同心螺旋纱线。这些纱线在外磁场方向与强度的控制下，会表现出显著的弯曲和硬化行为，进而可以定制具有多种驱动与硬化功能的面料。基于此，他们开发了包括主动通风织物、集成适形抓取器和远程可控触觉指套在内的创新智能纺织品，实现了从标量控制到矢量控制的跨越，推动了智能纺织技术的进一步发展。相关研究成果以题为“Vector - stimuli - responsive magnetorheological fibrous materials”发表在最新一期《nature》上。

【策略设计】

作者提出，磁阻纤维材料能够将各向异性磁阻材料的矢量刺激响应特性与纺织品的柔韧性和多功能性相结合，从而产生一类变革性的矢量刺激响应纤维材料。此外，软磁磁阻纤维克服了硬磁纤维在纺织驱动器中的局限性，无需预磁化。这些磁各向异性且无基质的磁阻纤维材料，通过非粘合纤维组装，能够实现以往无法达到的高性能驱动和刚化功能（图1）。而且，纺织品的延展性和可编程性使得从二维织物到复杂三维（3D）纺织器件的无缝过渡成为可能，从而满足实际应用的需求。

图1.具有矢量刺激响应功能的MR纤维材料示意图

【MR纤维与纱线的设计】

作者通过理性选择低密度聚乙烯作为聚合物基质，羰基铁粉作为磁性填料，利用双螺杆挤出机制备了填料分布均匀的复合材料。通过系统分析流变特性，确定了具有最高χₘ/E值（1.23emucm⁻³kOe⁻¹MPa⁻¹at3kOe）且可熔融纺丝的70wt%CIPs复合材料（图2c）。采用熔融纺丝与原位高速牵伸工艺，将纤维直径拉至57μm（图2d），同时提升了聚合物链取向性与CIP分布各向异性（图2a,d）。纱线由七根纤维捻合并经热定型制成，优化后的纱线具有高Ay/EIy（0.027mN⁻¹）和显著磁各向异性（轴向与径向磁化比1.4at3kOe；图2h,i），并展现出优异的柔韧性与耐久性（图2j）。

图2.MR纤维和纱线的设计和制造

【MR纱线的表征】

作者揭示了纱线在磁场中的两种主要工作模式：弯曲模式与硬化模式。当存在易轴与磁场方向的角偏差时，磁矩产生磁扭矩，引发弯曲力矩（Mbending），促使纱线对齐磁场或抵抗外力（图3a,d）。实验表明，不同长度的MR纱线在磁场下的弯曲角度与模型预测一致（图3b），其力矩密度随磁场增强而提高，最高达约7Nmkg⁻¹（300mT；图3c）。在三点弯曲测试中，纱线弯曲刚度随磁场从0mT增至280mT提高了约30倍，从0.68mNmm²升至20mNmm²（图3e,f）。该性能提升除磁扭矩作用外，还源于磁化纱线内部螺旋纤维间磁吸引力所导致的摩擦增强。

图3.MR纱线的弯曲和加强性能

【MR织物的表征】

MR纱线被组装成平行取向的机织MR织物和垂直取向的割绒MR织物。机织织物中，由于纱线交织导致的结构屈曲，其力矩密度略低于单纱，但弯曲刚度随浮长增加而提高（图4b,c）。其中平纹织物因纱线间相互作用最低，性能最接近单纱，一块0.5g的平纹MR织物在210mT磁场下可支撑10g重量（图4d）。割绒MR织物则在倾斜磁场下输出面内剪切力，在垂直磁场下调控面外压缩模量（图4f）。其剪切力与磁场强度及纱线密度成正比，密度为500yarnscm⁻²时在280mT磁场下产生110mN剪切力（图4g）；压缩模量可通过纱线密度调节，范围从0.45–8.3kPa至1–22.5kPa（图4h）。两类织物均表现出良好的耐久性，在约10,000次循环压缩后仍保持性能稳定（图4i）。

图4.机织和剪绒MR织物的结构和性能

【智能纺织品演示】

研究展示了多种应用场景。织物线性执行器通过将弯曲力矩转化为线性运动，在280mT磁场下实现5mm行程与150mN输出力（图5a,b）。以此为核心的主动通风织物，通过周期性地开启弹性织物缝隙，促进微环境空气交换，其水蒸气透过率在0–2Hz操作频率间可调，范围为34.5–58.5gm⁻²h⁻¹（图5c,d）。集成适形抓取器利用割绒MR织物的可调模量与轴向压缩性，成功抓取并转移包括活体蠕虫、豆腐、蓝莓等多种形状与刚度差异显著的物体，展现出优异的适应性与保护性（图5e,f）。远程可控触觉指套则结合了机织与割绒MR织物，通过调节电磁场空间关系与电流参数，实现动觉与触觉反馈。例如在3A电流下，指套可产生约3.5Nmm力矩（力矩密度2.6Nmmg⁻¹）及150mN法向力，模拟不同织物的硬度与光滑度感知（图5g–k）。

图5.基于MR织物的智能纺织品演示【总结】

本研究通过融合纺织结构力学与软磁材料磁学，建立了多层次纤维驱动结构的工程指导原则，开发出具有矢量刺激响应能力的磁流变纤维材料。所制备的MR纤维直径仅57μm，填料负载高达70wt%，可在低于300mT的安全磁场下实现高效驱动；MR纱线兼具6.5Nmkg⁻¹的高力矩密度与30倍的刚度调节范围；MR织物则展现出弯曲、剪切、线性运动与压缩硬化等多功能集成能力。通过主动通风织物、适形抓取器与全织物触觉指套等示范应用，不仅推动了刺激响应材料从标量向矢量控制的跨越，也为智能纺织品在日常生活与工业中的实际应用开辟了广阔前景。

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原标题：《【复材资讯】一作兼通讯！香港理工大学，最新Nature！》

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