划重点
01美国北卡罗来纳州立大学的科研团队开发出一种能随磁场变形的新型超材料，无需直接接触就能操控物体。
02该超材料薄片由弹性聚合物制成，内部嵌入了磁性微粒，表面精心设计了特殊的切割图案。
03通过控制磁场方向，使薄片表面产生类似海浪般的起伏运动，精确控制“波浪”高度以移动物体。
04研究团队发现，带切割的圆顶在磁场作用下能够达到更高的隆起高度，且刚度提高了1.8倍。
05未来，这项技术有望应用于精确输送和混合微量液体、虚拟现实领域的触觉反馈控制器等场景。
以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考
当我们想要移动物体时，通常会用手或机械臂去抓取。但如果是液滴这样的易碎品，或者处在狭小空间里的物品呢？
近日，美国北卡罗来纳州立大学的科研团队带来了一个新的解决方案。他们开发出一种能随磁场变形的新型超材料（metamaterial），无需直接接触就能操控物体，不仅打破了传统抓取方式的局限，更为精密操控领域带来了全新的可能性。
（来源：资料图）
“我们面临着两个主要挑战。”研究人员解释说，“首先是如何移动那些无法用夹持器抓取的物体，比如易碎品或在密闭空间中的物品。其次是如何利用磁场来远程抓取和移动非磁性物体。”
为了应对这些挑战，研究团队将磁场控制与日本剪纸艺术“kirigami”的原理相结合，借此开发出一种超材料薄片，这种薄片由弹性聚合物制成，内部嵌入了磁性微粒，并在表面精心设计了特殊的切割图案。
该论文的主要作者、现任宾夕法尼亚大学博士后研究员 Yinding Chi 指出：“切纸设计对这种超材料薄片至关重要，因为它在不牺牲材料本身刚度的前提下，提高了材料的柔韧性。这使我们能够在不损失机械强度的情况下，显著增强材料的变形能力。”
在开发过程中，研究团队面临着一个看似矛盾的问题：如何让材料既容易变形又足够坚固以承载重物？
团队通过使用磁性弹性体、切纸（原理）、气球和磁铁的独特组合最终找到了答案。他们首先制作了直径 5 毫米、厚度 265 微米的磁性弹性体圆盘，将其置于可充气膜上，像气球一样充气使其形成圆顶形状，然后进行磁化处理，最后恢复到原来的平坦状态。
图 | 材料示意图（来源：论文）
这种创新设计让研究人员可以通过控制磁场的方向，使薄片表面产生类似海浪般的起伏运动。而通过调节磁场强度，则可以精确控制“波浪”的高度。
研究人员表示：“通过控制超材料薄片表面的运动，我们可以移动各种类型的物体，无论是液滴还是平板玻璃。这种操控方式的精确性和适应性让人印象深刻。”
在深入研究过程中，团队还发现了一些意想不到的特性。最初的圆盘在磁场作用下只能隆起略高于 1 毫米，而且材料的相对较低刚度限制了其承重能力。
图 | 通过隆起来移动水滴（来源：资料图）
为了解决这个问题，研究人员使用激光切割机在圆盘上制作了类似切纸艺术的图案。这个改进带来了惊人的效果，带有正交切割的圆盘在磁场作用下能够达到 4 毫米的隆起高度，这比没有切割的圆盘高出一倍多。
更令人惊喜的是，这种设计不仅没有降低材料的承重能力，反而在磁场作用下使其刚度提高了 1.8 倍。
理论上，引入切割应该会显著降低材料的杨氏模量（衡量材料在应力下的刚性程度的指标），使圆顶的结构刚度降低四倍。但实际效果却截然相反，这是因为传统计算公式没有考虑到磁场的影响。
当切割的长宽比为 6 时，材料对磁场的响应性显著提升，进而增强了磁场诱导刚化效应。
实验证明，这种带切割的圆顶能够将重达 43.1 克（相当于自身重量 28 倍）的物体提升到 2.5 毫米的高度并稳定保持。为了展示这项技术的实际应用潜力，研究团队制作了一个 5×5 的圆顶阵列，通过底部可移动的永磁体支柱进行控制。
图 | 通过隆起来移动其他物体（来源：资料图）
这个系统能够精确地移动水滴、薯片、树叶，甚至小木板，还能转动培养皿。更令人兴奋的是，其表面对磁场变化的响应时间不到 2 毫秒，这一速度甚至可以与游戏显示器相媲美。
这项技术的应用前景十分广阔。在实验室，它可以用于精确输送和混合微量液体，这对于生物医学研究和化学实验具有重要意义。在虚拟现实领域，其快速响应的特性使其有望用于触觉反馈控制器，模拟不同物体的触感和质地。
研究人员表示：“虽然我对触觉技术还比较陌生，但考虑到我们可以通过调节磁场来改变表面的刚度，这应该能够帮助我们重现不同的触觉感知。”
目前，研究团队正致力于解决最后一个技术难题：如何提高分辨率。如果将每个圆顶比作显示器的一个像素，目前的分辨率还相对较低。
研究人员表示，通过先进的制造技术，有望将圆顶的直径缩小到约 10 微米。不过，在如此小的尺度下实现驱动是一个挑战。
除了继续研究小型化，研究团队还在探索这项技术在游戏和辅助设备等领域的应用。
这项创新不仅展示了材料科学的最新进展，也为未来的精密操控和人机交互开辟了新的可能性。它证明，有时候最优雅的解决方案不是让抓握更加有力，而是更聪明地思考如何完全避免接触。
参考资料：
https://arstechnica.com/science/2024/12/magnetic-shape-shifting-surface-can-move-stuff-without-grasping-it/
https://mse.ncsu.edu/2024/12/magnetically-controlled-kirigami-surfaces-move-objects-no-grasping-needed/
https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adr8421
排版：希幔