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球形钕铁硼磁体利用磁极间的相互作用可以组装成无限的几何形状，被用来构造复杂而有趣的结构，广泛用于解压益智趣味玩具（巴克球，BuckyBall)。这些磁球组合体通过它们的磁极相互作用可以抵抗机械变形。当它们排列成长链时，会表现出类似弹性杆的力学行为。这种有趣的有别于经典弹性的抗变形能力被称为“磁弹性”。![]()
北方工业大学胡福文课题组尝试将毫米级“磁球”作为增强体嵌入弹性基体材料，通过“离散尺度磁弹性”和“弹性体弹性”耦合，创建了一种新型的功能复合材料结构——磁弹性增强弹性体，用于制作软体驱动器和软体夹持机械手。![]()
图2 基于磁弹性增强弹性体的软体机械手
这种有趣的磁学-力学复合材料结构，不需要外部磁化方法而能够轻松利用单个磁偶极矩的磁矩，且易于通过3D打印技术或浇筑成型技术实现制备。但由于磁弹性和经典弹性之间的巨大差异，如何从理论上建立离散尺度的磁弹性和连续介质弹性的耦合刚度模型却面临挑战。物理上，它受磁偶极矩和弹性体弹性模量的影响；几何结构上，受球形磁体之间的距离、磁链长度和弹性基体梁尺寸影响。为了处理上述难题，他们的研究推导了离散尺度磁偶极子相互作用的球形磁链的有效刚度模型，进一步将离散磁链近似为一个刚度等效的连续介质梁，最后用求解复合梁刚度的变换截面法建立了“磁弹性”与弹性体弹性的耦合弯曲刚度模型。为了验证理论模型，他们进一步开展了基于多物理场的有限元仿真分析和实验验证。他们的方法首次从理论上揭示了磁弹性增强弹性体复合梁弯曲刚度的复杂耦合机制。![]()
在应用层面，他们洞察到这种磁弹性增强弹性体复合梁的原位弯曲效应可用于软体机器人驱动器。这种初始的原位弯曲效应可通过外部磁场或机械力来控制。当外部激励被移除时，原位磁弹性将产生快速回弹。特别是用于软体夹持器时，初始的原位弯曲变形使夹持器处于自然张开状态，因而仅需要控制夹持器的闭合运动。外部激励反向和变形原位磁驱回弹的结合可有效简化夹持器的控制。作为概念验证，他们开发了两种类型的柔性机器人夹持器：三指软体夹持器和五指拟人柔性机械手。抓取实验证明它们对不规则形状或脆弱物体的良好适应性和无损交互性，可实现精细捏夹、共形夹持或包络夹持。![]()
图4 三指软体夹持器的夹持实验
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研究团队还开展了工业场景应用验证。他们将研制的软体夹持器安装在工业机器人的末端，进行了抓取实验。实验表明，所开发的这种轻量化、低成本、可重构的软体机械手，可适用于农业生产、工业生产及物流销售等领域中弱刚性、形状不规则、易碎物品的采摘、抓取或分拣任务。![]()
图6 工业场景应用实验
北方工业大学胡福文课题组的这项理论及创新应用研究拓宽了磁响应软材料的创新设计视野，理论上建立了“离散尺度磁弹性”与“弹性体弹性”的刚度耦合模型，探索了软体驱动器和软体机器人研制的新路径。这项研究历时7年多，于2022年获国家授权发明专利1项（ZL202110573857.2），于2023年获首都大学生“挑战杯”竞赛一等奖。近日，以题为“A magneto-elastica reinforced elastomer makes soft robotic grippers”的论文发表在国际知名学术期刊《Sensors and Actuators: A. Physical》（JCR Q1， IF=4.1）上。阅读链接：
https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115977
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