在自然界中，章鱼的触手能灵活弯曲抓握，植物的卷须可随环境调整形态 ------ 这些动态变形能力，一直是工程师们研发软材料系统的灵感源泉。近日，《Science Advances》发表的一项研究，成功将这种"变形智慧"融入人工材料，开发出一类能快速、可逆变形，且可精准调控的软 3D 电磁结构。这项技术不仅解决了传统软材料变形的诸多痛点，更在 4D 电子、生物医学设备等领域展现出巨大潜力。
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一、传统软材料的 "变形困境"：我们为何需要新方案？
软形状变形结构在柔性电子、软机器人、智能药物递送等领域应用广泛，但现有技术始终面临四大核心挑战：
**局部调控难：**多数系统无法实现变形后的精准局部调整，难以满足复杂场景需求；
**形状复杂度低：**难以形成精细的 3D 复杂构型，限制了功能多样性；
**响应速度慢：**动态变形耗时较长，无法适配实时交互场景；
续 **"供电"：**变形后需持续外部刺激（如电流、温度）才能维持形状，实用性大打折扣。
为解决这些问题，来自美国德克萨斯大学达拉斯分校、浙江大学等机构的研究团队，提出了一种全新思路：将液态金属微流体的 "受控压缩屈曲" 与 "洛伦兹力驱动" 相结合，让软 3D 结构拥有前所未有的变形灵活性。
二、核心突破：双重机制驱动，变形空间大幅拓展
研究的核心创新在于"两步变形 + 双重驱动"策略：
第一步：从 2D 到 1 级 3D ，压缩屈曲奠定基础
首先，团队通过软光刻技术制作 2D 微流体前驱体 ------ 在厚度约 100μm 的硅基弹性体（Dragon Skin 10）中，构建宽度 300μm、高度 200μm 的微通道，内部填充镓铟共晶合金（EGaIn，75% 镓 + 25% 铟）。
随后，将 2D 前驱体层压到预拉伸的弹性基底上，仅在特定区域通过水溶性胶水固定。当释放预拉伸时，前驱体因 "压缩屈曲" 自然形成 1 级 3D 形状（如弧形、环形）。
第二步：从 1 级到高阶 3D ，洛伦兹力精准调控
在 1 级 3D 形状基础上，研究引入 "洛伦兹力驱动"：在平行于基底的均匀磁场（B=0.15T，由两个直径 76.2mm 的永久磁铁生成）中，向液态金属微通道施加电流（I≈0.9A）。电流与磁场相互作用产生洛伦兹力，驱动结构进一步变形为螺旋、扭曲等复杂高阶构型。
这种双重驱动的优势极为显著：单独使用压缩屈曲或洛伦兹力，仅能实现 1 维变形；而两者结合后，变形空间扩展为 2D 区域。例如，当预应变 εpre=11.1% 时，结构的面外变形可在 16.5%~22.3% 之间连续可调，为精准控制提供了充足空间。
三、设计巧思： 3 个方法，让变形 "随心所欲"
为进一步丰富变形能力，团队还设计了 3 种关键策略，让软 3D 结构的变形潜力最大化：
1. 微通道图案：决定变形 "复杂度上限"
液态金属微通道的数量和布局，直接影响高阶形状的种类。例如：
含 4 个微通道的"中心带 + 两侧带"结构，可实现类似"欧拉 - 伯努利梁"前 3 种屈曲模式的高阶形状；
仅含 2 个微通道的相同结构，只能实现前 2 种模式。
这意味着，通过调整微通道设计，可按需定制变形的 "精细度"。
2. 磁场方向：旋转磁场，新增变形维度
研究发现，改变外部磁场方向，无需修改结构设计就能获得全新变形。以"三通道折纸环形结构"为例：
磁场沿 z 轴（垂直基底）时，控制电流可获得 4 种高阶形状；
磁场旋转 90° 至 x 轴（平行基底）时，又能新增 4 种独特形状。
若结合电控电磁铁，还可实现磁场方向的实时切换，进一步提升变形灵活性。
3. 路径控制：同一前驱体，变出不同 1 级形状
通过 "路径控制压缩屈曲" 技术，改变预应变的释放顺序，可让同一 2D 前驱体形成不同 1 级 3D 形状。例如：
路径 I：同时释放 x、y 方向预应变，所有带材向上屈曲；
路径 II：先释放 40% x 方向预应变，再释放 y 方向预应变，主带材向下屈曲。
两种 1 级形状再结合洛伦兹力，最终衍生出 8 种不同的高阶构型 ------ 仅用 2 个微通道就实现了翻倍的变形数量。
四、关键特性：形状固定 + 独立支撑，告别 "持续供电"
传统软变形结构的一大痛点是 "离了外部刺激就'塌'"，而这项研究通过两种方案解决了这一问题：
方案 1 ：多稳态结构，"一触即定"
部分结构设计为 "多稳态"------ 存在两个能量最低的稳定形状，洛伦兹力仅需暂时克服两者间的能量壁垒，就能实现状态切换；切换后无需持续供电，结构可长期保持形状。
方案 2 ：液态金属相变，"凝固锁形"
利用液态金属的固 - 液相变特性：将镓基结构用制冷剂（1,1,1,2 - 四氟乙烷）冷却至 - 50℃，液态金属迅速凝固，不仅能锁定当前形状，还可溶解水溶性胶水，从基底剥离形成 "独立支撑结构"。实验数据显示，这些独立结构的 "形状存储率" 高达 96% 以上（如 1 级形状存储率 99.8%），且在温度低于 29℃（镓的熔点）时能长期保持稳定。
更令人惊叹的是相变带来的刚度巨变：压缩测试显示，液态时结构在 0.16mN 力下就会屈曲；固态时最大承受力可达 100mN，两者相差近 1000 倍 ------ 这种 "软变硬" 的特性，为形状固定提供了坚实的力学保障。
五、应用落地： 4D 电子系统，让 "变形" 产生实际功能
研究团队以 "4D 发光系统" 为例，展示了这项技术的实用价值。该系统的核心是 "可倾斜的 μLED 平台"：
1 、设计
2D 前驱体包含三层关键组件：底层是液态金属微通道，中层是直径 8mm 的线圈天线，顶层是无线供电的 μLED。通过压缩屈曲（εx=εy=28%），μLED 平台被提升至基底上方 10mm 处，形成 1 级 3D 形状。
2 、功能实现
当向微通道施加不同电流时，洛伦兹力驱动平台倾斜（角度 α 可调）。由于 μLED 的供电依赖线圈天线的电磁感应（V=-dΦ/dt），平台倾斜会改变磁通量，进而调节亮度 ------ 电流越大，倾斜角度越大，亮度越低。
这种 "变形控光" 特性，在光疗（需精准调节光照强度）、自适应显示等场景中极具应用潜力。
此外，研究还提到，该技术可拓展至更多领域：如可重构形状的反射镜、能灵活抓握的软夹具，甚至生物医学领域的 "可变形药物载体"------ 通过变形适配不同血管直径，实现精准给药。
六、未来展望：从毫米级到微纳级，软变形技术的更多可能
这项研究的意义不仅在于提出一种新结构，更在于为软材料变形技术开辟了新方向：
尺度可扩展：目前演示的毫米级结构，未来可通过工艺优化拓展至微纳尺度，适配更精细的电子器件；
材料兼容性强：可与柔性传感器、无线供电模块等集成，形成多功能系统；
成本可控：核心材料（液态金属、硅基弹性体）易获取，制备过程依赖成熟的软光刻技术，便于规模化生产。
当然，挑战仍需克服：如微纳尺度下液态金属的焦耳热效应可能加剧，需通过蛇形通道等设计优化散热。但总体而言，这项技术为柔性电子、软机器人、生物医学等领域提供了全新的解决方案，未来值得期待。
参考文献：
Park, J., et al. Soft 3D electromagnetic structures with rapid, complex shape morphing. Science Advances, 11, eaea5264.