稳定的磁性软材料

磁性软材料因其在非结构化环境中的多功能性和适应性，被广泛应用于机器人系统，尤其是微创医疗设备（如手术器械、药物递送装置）。然而，这类材料在实际应用中面临诸多挑战：在波动磁场下易发生意外变形，医疗成像技术难以准确评估其姿态和形状，加上解剖边界导致磁场对准偏差，可能引发不受控的形状变化和功能失效。

为解决这些问题，本研究聚焦细长磁性软结构，受蛇、海马尾等生物结构（刚性单元与柔性组织结合）启发，设计了一种各向异性复合结构。该结构由多个刚性 backbone（含5μm钕铁硼颗粒的EpoxACast 655基体，弹性模量约49.6 GPa）和中央柔性PET脊柱组成，通过两步成型工艺制备。这种设计使结构在优选方向的弯曲刚度比各向同性梁提高约52倍，扭转刚度提高约18倍，既能在特定方向灵活弯曲，又能抑制非预期的弯曲和扭转。

实验表明，与传统磁性软梁相比，该结构在旋转磁场下仅在目标平面内弯曲，而非预期方向偏转和扭转角度分别低至2.3°和3.2°（传统结构>15°）。通过优化块体间距（10μm时性能最佳）、PET膜厚度（25μm兼顾灵活性与稳定性）等参数，进一步提升了稳定性。以此为基础模块，构建了多种1D至3D稳定结构：如螺旋触手（可实现微型抓取）、螺旋机器人（能在弯曲管道中推进并输送堵塞物）、可膨胀装置（模拟球囊导管功能，实现转向和扩张）、立方体（仅在特定磁场方向变形）及3D镶嵌结构（可编程驱动）。

在医疗应用验证中，该结构展现出显著优势：蠕虫状梁在20°磁场偏斜下仍能稳定波动前进，速度是传统结构的3倍；集成到导丝尖端后，插入力降低30倍（低至0.1N），可顺利通过多弯曲血管模型；胶囊机器人通过模仿肠道蠕动，实现了安全的胃肠道推进，避免了传统磁控胶囊对肠道的摩擦损伤风险。

这项研究通过结构创新解决了磁性软材料的稳定性难题，为开发更安全、可控的微创医疗设备奠定了基础，未来结合微制造技术有望进一步微型化并提升生物相容性。