麦克斯韦方程组统一了电场与磁场，基于此理论的电磁器件（例如传统刚性的发电机和电动机）开创了电气化时代的新纪元。然而，传统的刚性电磁器件的核心部件是金属线圈和刚性永磁体，这种机械解耦的刚性结构限制了传统的刚性电磁器件的小型化和顺应性，导致其难以应用在复杂狭小的环境中。特别是，面向软体机器人、可穿戴设备等领域，亟需开发具有磁性、导电性和机械顺应性的软电磁器件，以实现远程驱动、传感和能量收集等多功能复合。然而，现有的软磁电器件分离的磁驱动部件与导电部件间存在应力集中、分层或材料泄漏等问题，限制其执行复杂功能的能力。
为此，中山大学·深圳生物医学工程学院精准医疗器械智造团队蒋乐伦教授和李哲副教授，联合浙江大学流体动力基础件与机电系统国家重点实验室潘程枫研究员以及卡内基梅隆大学的Carmel Majidi教授合作开发了一种磁驱动液态金属同轴纤维，实现磁-机-电多功能耦合。采用同轴打印的方法制造具有芯鞘结构的同轴纤维（外鞘为NdFeB颗粒和PDMS的复合材料、内芯为液体金属（EGaIn）），实现了柔性、磁性和导电性的耦合。进一步，同轴纤维可以打印成复杂的2D/3D结构，制备成耦合磁驱动变形、变形感知以及同步无线能量传输的功能器件（图1）。该论文于2023年7月22日以“Coaxially Printed Magnetic Mechanical Electrical Hybrid Structures with Actuation and Sensing Functionalities”为题发表于Nature Communications。
图 1. 磁驱动液态金属同轴纤维的结构示意图及磁控变形、变形感知和无线能量传输的功能
首先配制用于同轴打印的磁响应墨水，然后通过对打印过程中的磁响应墨水和液态金属的挤出速度以及打印速度的控制，能轻松实现具有连续芯鞘结构的MME纤维和2D/3D MME结构的高质量打印。结果显示，MME结构具有: (1)良好的磁学特性，剩余磁化强度Mr为34 emu/g，矫顽力Hc为710 mT，相对磁导率为1.02；(2)优异的力学特性，最大拉伸应变为150%，抗拉强度为2.88 MPa；(3)稳定的电学特性，初始电导率约为2.07×106S/m，在拉伸状态下能保持恒定的电阻（在30%、60%、90%和120%应变下保持300秒，电阻变化小于1%），在120%应变下的6000次循环疲劳测试中电阻变化小于10％。此外，由于同轴纤维受到外鞘的惰性硅树脂保护，MME结构可以在恶劣的环境中（酸碱环境中）使用。
为预测不同编程模式下MME结构的变形，该工作建立了多物理场有限元模型，分析MME结构的磁驱动变形、变形感知和无线能量传输的原理及优化性能。结果显示，通过驱动磁场可以精确控制MME结构的变形角度，并且在变形的过程中引起自身的感应磁场的变化，导致结构的电感变化，以此来实现通过检验测试电感值感知结构的变形。进一步，基于有限元模型的指导，设计了不同的MME功能器件，并应用在生物医学、软操控和软体机器人领域。
基于1D MME纤维的导管式软体手术工具在驱动磁场的控制下，可以在封闭的空间中进行精确操纵，以此来实现以微创的方式在大鼠体内对大鼠的心脏表明上进行精确的电消融手术。与硬质介入器械的手术相比，导管式软体手术工具能够最终靠小孔进入到封闭复杂的空间中，快速准确的到达目标手术区域。具有硬质介入器械不能够比拟的灵活性和操控性，为靶向微创手术提供了一种有前景的策略。
由2D MME线圈组成的软体抓手可实现驱动和传感的混合功能。在外磁场操控下，软体抓手可以轻松抓取不一样的形状的物体，并在抓取的同时通过感知自身电感的变化，感受到被抓取物体的尺寸。这种柔软的 MME 体感夹具与机械臂集成，可以执行物体识别或分类等操作任务。
MME结构可以在磁驱动变形的同时进行无线能量传输。由两个MME线圈作为电磁发电部件和摩擦电纳米发电机组成的软体MME机器人能在磁场驱动下进行平移/旋转运动，并且在运动的过程中实现无线和多模态能量传输/获取（低频磁场(15 Hz)作用下进行高压发电(18 V)，高频磁场(110 kHz)作用下进行高功率发电(160 mW/m2)），具有混合驱动和能量收集的功能。因此，由MME线圈组成的软体MME机器人有望解决小型磁控软机器人的能量限制问题。
以上工作得到了国家自然科学基金和广东省自然科学基金杰出青年基金支持。中山大学张远西博士后、浙江大学潘程枫研究员和刘鹏飞硕士是该论文的共同第一作者。中山大学蒋乐伦教授、李哲副教授和卡内基梅隆大学的Carmel Majidi教授为共同通讯作者。
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