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作者

王健、宋星儀、王超超、周玉梅、陳日、楊勇、劉彬、鄭一豪、李輝、周偉、蔣樂倫

機構

中山大學、廣東技術師范大學、廣東工貿職業技術學院、伍斯特理工學院、深圳大學、廈門大學

Citation

Wang J, Song X Y, Wang C C, Zhou Y M, Chen R, Yang Y, Liu B, Zheng Y H, Li H, Zhou W and Jiang L L. A review for design, mechanism, fabrication, and application of magnetically responsive microstructured functional surface. Int. J. Extrem. Manuf. 2025.7012004.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad8a25

撰稿 | 文章作者

1. 文章導讀

經過45億年的進化，自然界的生物為了適應復雜的環境形成了獨特微結構表面。受自然界微結構表面啟發，人們開發出各種功能性表面，并廣泛應用于液滴操控、微流體學、冷凝、油水分離、細胞篩選和摩擦電納米發電機等領域，推動了人類的科技進步。其中磁響應微結構功能表面（MRMFS），能夠在磁場作用下動態且可逆地切換其表面形貌，具有無線、非侵入性和瞬時響應的特點，實現對液體、固體或光的操控。近年來，磁響應微結構功能表面得到了廣泛的關注，在設計、制造、優化及應用方面取得了許多重要進展。

近期，來自中山大學生物醫學工程學院的蔣樂倫教授團隊在《極端制造（英文）》期刊上發表了題為《A Review for Design, Mechanism, Fabrication, and Application of Magnetically Responsive Microstructured Functional Surface》的文章，論文第一作者為廣東技術師范大學機電學院王健和中山大學生物醫學工程學院碩士生宋星儀。該論文綜述了磁響應微結構功能表面的研究進展，討論了限制其實際應用的挑戰，并提出了該領域的未開發展方向，對磁響應微結構功能表面領域的發展具有重要意義。

圖1磁響應微結構功能表面概述。

關鍵詞

功能表面；微結構；磁驅動；操控

亮 點

• 磁響應微結構功能表面能夠遠程、非侵入和實時精確完成微觀領域的復雜操控任務，是非常有前景的。

• 本文重點介紹了磁響應微結構功能表面的設計、變形機制、制造策略及其在前沿領域中的應用。

• 本文總結了磁響應微結構功能表面的最新進展，并指出了限制其實際應用的挑戰及未來的發展方向。

2. 研究內容

本文主要分為四個主要部分：首先，根據微結構形貌將磁響應微結構表面分為一維（1D）線性陣列、二維（2D）平面陣列和動態自組裝三種。然后，總結了磁響應微結構表面的三種變形機制，包括磁驅動彎曲變形、磁驅動旋轉變形和磁誘導自組裝變形。接著，總結了制造磁響應微結構功能表面的四種工藝，包括模板法、磁誘導自組裝、激光切割和磁流體注入法。最后，介紹了磁響應微結構功能表面在液滴操控、固體運輸、信息加密、光操控、摩擦納米發電機和軟機器人方面的應用。

圖2磁響應微結構功能表面的設計、機制、制造及應用概述。

（一）磁響應微結構功能表面的設計

磁響應微結構功能表面可以通過改變施加的外界磁場來可逆地改變其表面形貌。根據微結構形貌的不同，當前磁響應微結構功能表面可以分為三種：（a）一維（1D）線性陣列磁響應微結構功能表面，包括微纖毛、微柱和T形微結構；（b）二維（2D）平面陣列磁響應微結構功能表面，包括可彎曲、可旋轉和可編程的磁性微片陣列；（c）動態自組裝磁響應微結構功能表面，包括磁性彈性體、磁性凝膠表面和注入鐵磁流體的表面，如圖3所示。

圖3磁響應微結構功能表面的分類：（a）1D線性微結構磁響應微結構表面；（b）2D面狀磁響應微結構表面；（c）動態自組裝磁響應微結構表面。

（二）磁響應微結構功能表面的變形機理

具有不同形貌的磁響應微結構功能表面在磁場驅動下的變形機制主要有三種，如圖4所示。（a）在外部磁場驅動下，高長徑比的1D 磁響應微結構功能表面的微柱或纖毛產生可逆彎曲變形。（b）2D 磁響應微結構功能表面的微片在旋轉磁場的驅動下產生可逆地擺動和旋轉變形。（c）自組裝磁響應微結構功能表面中的鐵磁流體在外部強磁場的作用下自組裝形成微錐陣列或凸起。此外，還可以根據微結構中磁偶極子的排列實現其他變形模式，如扭曲和組合驅動模式。

圖4磁響應微結構功能表面的變形機理：（a）磁驅動彎曲變形；（b）磁驅動旋轉變形；（c）磁誘導自組裝變形。

（三）磁響應微結構功能表面的制造

目前制造磁響應微結構功能表面的策略主要包括模板法、磁自組裝、激光切割和鐵磁流體注入法（圖5）。（a）模板法是一種利用高精度模具制造有序的微結構的方法，通過在預先設計的模具中填充磁性顆粒和前驅體，然后在固化前驅體并從模具中取出后得到磁響應微結構功能表面。（b）磁自組裝成形是利用磁流體在外部磁場的作用下，自發地對齊并自組裝成有序的磁性纖毛陣列的工藝，具有簡單、高效的特點，常用來制備磁性纖毛表面。（c）激光切割是利用激光通過熱效應直接在各種磁性薄膜上快速切割出磁響應微結構，具有分辨率高，速度快以及靈活性好的優點。（d）鐵磁流體注入法是將鐵磁流體滲透到具有微結構的基體中。外加磁場能使分散在鐵磁流體中的磁性納米顆粒運動，從而使原始光滑的表面上產生在不同尺度的微結構。

圖5磁響應微結構功能表面的制造方法：（a）模板法；（b）磁自組裝法；（c）激光加工法；（d）磁流體注入法。

（四）磁響應微結構功能表面的應用

目前，磁響應微結構功能表面在液滴操控、固體運輸、信息加密、光操控、摩擦納米發電和軟體機器人等領域具有廣泛的應用。（a）液滴操控：磁響應微結構功能表面通過磁場實現遠程控制和快速響應，能夠有效地進行水霧的收集、潤濕性切換、液滴定向運輸及微流體混合。（b）固體輸運：磁響應微結構表面不僅能輸運液滴，還能實現固體輸運，例如粘性微球的定向輸運以及聚苯乙烯微球的抓取、釋放等。（c）信息加密：通過編程磁性微結構的變形模式，在磁場作用下微結構能實現圖案化變形，可用于圖案化顯示及信息加密。（d）光操控：通過磁場控制微結構的變形，磁響應微結構功能表面能夠調節光的透過率和顏色變化，能應用于太陽能追蹤系統以提高能量采集效率。（e）摩擦電納米發電：利用磁響應微結構功能表面的表面粗糙度增強能量收集能力，可用于人體運動監測。（f）軟體機器人：在磁場驅動下，磁響應微結構能實現形狀變換，可以驅動機器人運動，在生物醫學、機械等領域具有潛在應用價值。

圖6磁響應微結構功能表面的應用。（a）液滴操控；（b）固體操控；（c）信息加密；（d）光操控；（e）摩擦納米發電；（f）軟體機器人。

3. 未來展望

磁響應微結構功能表面未來的發展主要集中在以下三個方向：（1）盡管目前已經有多種磁響應微結構功能表面的制造方法，但是都有一定的局限性。因此，如何實現高精度磁響應微結構的高效、低成本和大規模的按需制造仍是研究的重點。（2）隨著對可編程變形模式需求的增加，能夠完成更加復雜任務的新型磁響應微結構功能表面受到越來越多的關注。雖然目前已有通過施加圖案化磁場、調控微結構的幾何參數、剛度及磁性顆粒的分布來實現可編程變形，但精確控制磁場和微結構幾何配置仍然具有挑戰性。（3）為適應日常生活及工業生產的多樣化需求，對多功能磁響應微結構功能表面的需求越來越多。因此，研究新的功能材料和表面修飾技術，拓展磁響應微結構表面的功能和應用是未來的研究重點。未來，應繼續加強磁響應微結構功能表面的研究，改進其結構設計、變形能力、制造策略及應用領域，爭取實現突破性進展，使其早日轉化為實際應用。

4. 作者與團隊簡介

第一作者：廣東技術師范大學機電學院校聘副教授王健與中山大學生物醫學工程學院碩士研究生宋星儀為本文的共同第一作者。

通訊作者：中山大學蔣樂倫教授、廈門大學周偉教授和深圳大學李輝副教授為本文的共同通訊作者。

團隊簡介：中山大學精準醫療器械智造團隊，以醫療監測、診斷及治療需求為導向，致力于精準/智能醫療器件與儀器的開發，研究人-機智能融合方法和技術，探索其在生命健康領域的應用新范式。

課題組網頁：

http://bme.sysu.edu.cn/bmejiangll/

仿生特殊潤濕性宏觀陣列結構材料的最新研究進展—從表面工程到功能應用

微納機器人的設計與制造

2024

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International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區。

期刊網址：

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http://ijemnet.com/

期刊投稿：

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撰稿:作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷 關利超

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