作者

王健、宋星仪、王超超、周玉梅、陈日、杨勇、刘彬、郑一豪、李辉、周伟、蒋乐伦

机构

中山大学、广东技术师范大学、广东工贸职业技术学院、伍斯特理工学院、深圳大学、厦门大学

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. 7 012004.

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

撰稿 | 文章作者

1. 文章导读

经过45亿年的进化，自然界的生物为了适应复杂的环境形成了独特微结构表面。受自然界微结构表面启发，人们开发出各种功能性表面，并广泛应用于液滴操控、微流体学、冷凝、油水分离、细胞筛选和摩擦电纳米发电机等领域，推动了人类的科技进步。其中磁响应微结构功能表面（MRMFS），能够在磁场作用下动态且可逆地切换其表面形貌，具有无线、非侵入性和瞬时响应的特点，实现对液体、固体或光的操控。近年来，磁响应微结构功能表面得到了广泛的关注，在设计、制造、优化及应用方面取得了许多重要进展。

近期，来自中山大学生物医学工程学院的蒋乐伦教授团队在《极端制造（英文）》期刊上发表了题为《A Review for Design, Mechanism, Fabrication, and Application of Magnetically Responsive Microstructured Functional Surface》的文章，论文第一作者为广东技术师范大学机电学院王健和中山大学生物医学工程学院硕士生宋星仪。该论文综述了磁响应微结构功能表面的研究进展，讨论了限制其实际应用的挑战，并提出了该领域的未开发展方向，对磁响应微结构功能表面领域的发展具有重要意义。

图1  磁响应微结构功能表面概述。

关键词

功能表面；微结构；磁驱动；操控

 亮 点 

• 磁响应微结构功能表面能够远程、非侵入和实时精确完成微观领域的复杂操控任务，是非常有前景的。

• 本文重点介绍了磁响应微结构功能表面的设计、变形机制、制造策略及其在前沿领域中的应用。

• 本文总结了磁响应微结构功能表面的最新进展，并指出了限制其实际应用的挑战及未来的发展方向。

2. 研究内容

本文主要分为四个主要部分：首先，根据微结构形貌将磁响应微结构表面分为一维（1D）线性阵列、二维（2D）平面阵列和动态自组装三种。然后，总结了磁响应微结构表面的三种变形机制，包括磁驱动弯曲变形、磁驱动旋转变形和磁诱导自组装变形。接着，总结了制造磁响应微结构功能表面的四种工艺，包括模板法、磁诱导自组装、激光切割和磁流体注入法。最后，介绍了磁响应微结构功能表面在液滴操控、固体运输、信息加密、光操控、摩擦纳米发电机和软机器人方面的应用。

图2  磁响应微结构功能表面的设计、机制、制造及应用概述。

（一）磁响应微结构功能表面的设计

磁响应微结构功能表面可以通过改变施加的外界磁场来可逆地改变其表面形貌。根据微结构形貌的不同，当前磁响应微结构功能表面可以分为三种：（a）一维（1D）线性阵列磁响应微结构功能表面，包括微纤毛、微柱和T形微结构；（b）二维（2D）平面阵列磁响应微结构功能表面，包括可弯曲、可旋转和可编程的磁性微片阵列；（c）动态自组装磁响应微结构功能表面，包括磁性弹性体、磁性凝胶表面和注入铁磁流体的表面，如图3所示。

图3  磁响应微结构功能表面的分类：（a）1D线性微结构磁响应微结构表面；（b）2D面状磁响应微结构表面；（c）动态自组装磁响应微结构表面。

（二）磁响应微结构功能表面的变形机理

具有不同形貌的磁响应微结构功能表面在磁场驱动下的变形机制主要有三种，如图4所示。（a）在外部磁场驱动下，高长径比的1D 磁响应微结构功能表面的微柱或纤毛产生可逆弯曲变形。（b）2D 磁响应微结构功能表面的微片在旋转磁场的驱动下产生可逆地摆动和旋转变形。（c）自组装磁响应微结构功能表面中的铁磁流体在外部强磁场的作用下自组装形成微锥阵列或凸起。此外，还可以根据微结构中磁偶极子的排列实现其他变形模式，如扭曲和组合驱动模式。

图4  磁响应微结构功能表面的变形机理：（a）磁驱动弯曲变形；（b）磁驱动旋转变形；（c）磁诱导自组装变形。

（三）磁响应微结构功能表面的制造

目前制造磁响应微结构功能表面的策略主要包括模板法、磁自组装、激光切割和铁磁流体注入法（图5）。（a）模板法是一种利用高精度模具制造有序的微结构的方法，通过在预先设计的模具中填充磁性颗粒和前驱体，然后在固化前驱体并从模具中取出后得到磁响应微结构功能表面。（b）磁自组装成形是利用磁流体在外部磁场的作用下，自发地对齐并自组装成有序的磁性纤毛阵列的工艺，具有简单、高效的特点，常用来制备磁性纤毛表面。（c）激光切割是利用激光通过热效应直接在各种磁性薄膜上快速切割出磁响应微结构，具有分辨率高，速度快以及灵活性好的优点。（d）铁磁流体注入法是将铁磁流体渗透到具有微结构的基体中。外加磁场能使分散在铁磁流体中的磁性纳米颗粒运动，从而使原始光滑的表面上产生在不同尺度的微结构。

图5  磁响应微结构功能表面的制造方法：（a）模板法；（b）磁自组装法；（c）激光加工法；（d）磁流体注入法。

（四）磁响应微结构功能表面的应用

目前，磁响应微结构功能表面在液滴操控、固体运输、信息加密、光操控、摩擦纳米发电和软体机器人等领域具有广泛的应用。（a）液滴操控：磁响应微结构功能表面通过磁场实现远程控制和快速响应，能够有效地进行水雾的收集、润湿性切换、液滴定向运输及微流体混合。（b）固体输运：磁响应微结构表面不仅能输运液滴，还能实现固体输运，例如粘性微球的定向输运以及聚苯乙烯微球的抓取、释放等。（c）信息加密：通过编程磁性微结构的变形模式，在磁场作用下微结构能实现图案化变形，可用于图案化显示及信息加密。（d）光操控：通过磁场控制微结构的变形，磁响应微结构功能表面能够调节光的透过率和颜色变化，能应用于太阳能追踪系统以提高能量采集效率。（e）摩擦电纳米发电：利用磁响应微结构功能表面的表面粗糙度增强能量收集能力，可用于人体运动监测。（f）软体机器人：在磁场驱动下，磁响应微结构能实现形状变换，可以驱动机器人运动，在生物医学、机械等领域具有潜在应用价值。

图6  磁响应微结构功能表面的应用。（a）液滴操控；（b）固体操控；（c）信息加密；（d）光操控；（e）摩擦纳米发电；（f）软体机器人。

3. 未来展望

磁响应微结构功能表面未来的发展主要集中在以下三个方向：（1）尽管目前已经有多种磁响应微结构功能表面的制造方法，但是都有一定的局限性。因此，如何实现高精度磁响应微结构的高效、低成本和大规模的按需制造仍是研究的重点。（2）随着对可编程变形模式需求的增加，能够完成更加复杂任务的新型磁响应微结构功能表面受到越来越多的关注。虽然目前已有通过施加图案化磁场、调控微结构的几何参数、刚度及磁性颗粒的分布来实现可编程变形，但精确控制磁场和微结构几何配置仍然具有挑战性。（3）为适应日常生活及工业生产的多样化需求，对多功能磁响应微结构功能表面的需求越来越多。因此，研究新的功能材料和表面修饰技术，拓展磁响应微结构表面的功能和应用是未来的研究重点。未来，应继续加强磁响应微结构功能表面的研究，改进其结构设计、变形能力、制造策略及应用领域，争取实现突破性进展，使其早日转化为实际应用。

4. 作者与团队简介

第一作者：广东技术师范大学机电学院校聘副教授王健与中山大学生物医学工程学院硕士研究生宋星仪为本文的共同第一作者。

通讯作者：中山大学蒋乐伦教授、厦门大学周伟教授和深圳大学李辉副教授为本文的共同通讯作者。

团队简介：中山大学精准医疗器械智造团队，以医疗监测、诊断及治疗需求为导向，致力于精准/智能医疗器件与仪器的开发，研究人-机智能融合方法和技术，探索其在生命健康领域的应用新范式。

课题组网页：

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