智能织物最新Nature

近年来，可响应外部刺激并实现可逆驱动或机械性能调控的纤维材料，在智能纺织品、软机器人及可穿戴技术领域展现出广阔应用前景。但现有技术大多局限于对标量刺激（如电压、温度、湿度、离子浓度等）的响应，缺乏方向可控性与功能多样性。

磁流变材料虽能在外磁场作用下可逆改变流变特性与力学性能，但其各向异性类型通常受限于弹性体基质的刚性，且需要高强度磁场，不利于人体安全使用。此外，硬磁纤维在织物集成过程中，还面临磁化模式错位、制造精度不足及结构不稳定等问题。因此，开发兼具高响应性、柔性安全且易于织造的新型矢量刺激响应纤维材料，成为当前该领域的研究重点与难点。

针对这一现状，香港理工大学陶肖明教授、蒲俊宏助理教授团队提出了一类矢量刺激响应磁流变纤维材料。该团队通过融合纺织结构力学与软磁材料磁学特性的工程模型指导，实现了从纤维到织物的多层次结构设计与性能优化。研究团队大规模制备出力学性能与磁学性能优异的软磁聚合物复合纤维，并将其组装成同心螺旋纱线。这类纱线在外磁场的方向与强度调控下，可表现出显著的弯曲与硬化行为，进而能够定制出具备多种驱动与硬化功能的面料。

基于此，团队开发出主动通风织物、集成适形抓取器、远程可控触觉指套等创新智能纺织品，实现了从标量控制到矢量控制的技术跨越，为智能纺织技术的进一步发展提供了有力支撑。相关研究成果以“Vector-stimuli-responsive magnetorheological fibrous materials”为题，发表于最新一期《Nature》期刊。

1. 策略设计

研究团队提出，磁阻纤维材料可将各向异性磁阻材料的矢量刺激响应特性，与纺织品的柔韧性、多功能性相结合，从而研发出一类变革性的矢量刺激响应纤维材料。同时，软磁磁阻纤维克服了硬磁纤维在纺织驱动器中的应用局限，无需进行预磁化处理。

这类具有磁各向异性且无基质的磁阻纤维材料，通过非粘合纤维组装方式，能够实现以往难以达成的高性能驱动与刚化功能（图1）。此外，纺织品本身具备的延展性与可编程性，使得材料可从二维织物无缝过渡到复杂三维（3D）纺织器件，充分满足实际应用需求。

图 1. 具有矢量刺激响应功能的 MR 纤维材料示意图

2. MR纤维与纱线的设计

研究人员理性选择低密度聚乙烯作为聚合物基质，羰基铁粉作为磁性填料，通过双螺杆挤出机制备出填料分布均匀的复合材料。经系统分析流变特性后，确定了70 wt% CIPs复合材料（3 kOe 条件下 χ?/E 值达 1.23 emu cm?3kOe?1 MPa?1），该材料可满足熔融纺丝要求（图2c）。

采用熔融纺丝与原位高速牵伸工艺，将纤维直径细化至57 μm（图2d），同时提升了聚合物链取向性与CIP分布各向异性（图2a,d）。纱线由七根纤维捻合后经热定型制成，优化后的纱线具有高 Ay/EIy 值（0.027 mN?1）与显著磁各向异性（3 kOe 条件下轴向与径向磁化比为1.4；图2h,i），且展现出优异的柔韧性与耐久性（图2j）。

图 2. MR 纤维和纱线的设计和制造

3. MR纱线的表征

研究团队揭示了纱线在磁场中的两种主要工作模式：弯曲模式与硬化模式。当易轴与磁场方向存在角偏差时，磁矩会产生磁扭矩，进而引发弯曲力矩（Mbending），促使纱线与磁场对齐或抵抗外力（图3a,d）。

实验结果显示，不同长度的MR纱线在磁场下的弯曲角度与模型预测结果一致（图3b），其力矩密度随磁场强度增加而提升，在300 mT 磁场下最高可达约7 N m kg?1（图3c）。三点弯曲测试表明，纱线弯曲刚度随磁场从0 mT 增至280 mT 提高了约30倍，从0.68 mN mm2 升至20 mN mm2（图3e,f）。这一性能提升，除了磁扭矩的作用外，还源于磁化纱线内部螺旋纤维间磁吸引力导致的摩擦增强。

图 3. MR 纱线的弯曲和加强性能

4. MR织物的表征

研究人员将MR纱线组装成平行取向的机织MR织物与垂直取向的割绒MR织物。在机织织物中，由于纱线交织产生的结构屈曲，其力矩密度略低于单纱，但弯曲刚度会随浮长增加而提高（图4b,c）。其中，平纹织物因纱线间相互作用最小，性能最接近单纱，一块0.5 g 的平纹MR织物在210 mT 磁场下可支撑10 g 重量（图4d）。

割绒MR织物在倾斜磁场下可输出面内剪切力，在垂直磁场下能够调控面外压缩模量（图4f）。其剪切力与磁场强度及纱线密度呈正比，当纱线密度为500 yarns cm?2、磁场强度为280 mT 时，可产生110 mN 剪切力（图4g）；压缩模量可通过纱线密度调节，调节范围为0.45–8.3 kPa 至1–22.5 kPa（图4h）。两类织物均表现出良好的耐久性，经过约10,000次循环压缩后，仍能保持稳定性能（图4i）。

图 4. 机织和剪绒 MR 织物的结构和性能

5. 智能纺织品演示

研究团队展示了该材料的多种应用场景。织物线性执行器通过将弯曲力矩转化为线性运动，在280 mT 磁场下可实现5 mm 行程与150 mN 输出力（图5a,b）。以此为核心部件的主动通风织物，能够通过周期性开启弹性织物缝隙，促进微环境空气交换，其水蒸气透过率在0–2 Hz 操作频率范围内可调节，调节范围为34.5–58.5 g m?2 h?1（图5c,d）。

集成适形抓取器利用割绒MR织物的可调模量与轴向压缩性，成功实现了对活体蠕虫、豆腐、蓝莓等多种形状与刚度差异显著物体的抓取与转移，展现出优异的适应性与保护性（图5e,f）。远程可控触觉指套结合了机织与割绒MR织物，通过调节电磁场空间关系与电流参数，可实现动觉与触觉反馈。例如，在3 A 电流下，指套可产生约3.5 N mm 力矩（力矩密度2.6 N mm g?1）及150 mN 法向力，能够模拟不同织物的硬度与光滑度感知（图5g–k）。

图 5. 基于 MR 织物的智能纺织品演示

总结

本研究通过融合纺织结构力学与软磁材料磁学特性，建立了多层次纤维驱动结构的工程指导原则，成功开发出具有矢量刺激响应能力的磁流变纤维材料。所制备的MR纤维直径仅为57 μm，填料负载量高达70 wt%，可在低于300 mT 的安全磁场下实现高效驱动；MR纱线兼具6.5 N m kg?1 的高力矩密度与30倍的刚度调节范围；MR织物则具备弯曲、剪切、线性运动与压缩硬化等多功能集成能力。

主动通风织物、适形抓取器与全织物触觉指套等示范应用的成功开发，不仅推动了刺激响应材料从标量控制向矢量控制的跨越，更为智能纺织品在日常生活与工业领域的实际应用开辟了广阔前景。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09706-4/figures/4