经典的刺激响应及形状记忆材料对外部刺激的响应是固定的，然而生命系统对外界刺激（环境变化）的响应会根据该刺激的强度大小、是否反复以及强度变化过程而变化，从而达到动态适应。这种可塑性在生物界中无处不在，它与记忆及学习都有着深刻的联系。例如：古谚语“一朝被蛇咬，十年怕井绳”，蛇咬（刺激的强度）超过了当前忍受程度的极限，因此人看到类似蛇的物体就会感到害怕（响应）。在心理学中，对于恐惧症的治疗过程则很好地诠释了生命系统对刺激强度变化过程的适应性。然而，如何让“无生命”的人造材料具备“有生命”的可调节适应能力？对于可应用于新兴软体机器人的交互式智能材料，磁场和光，已被公认为允许远程无线和非接触式控制的少数刺激形式之一。近日芬兰Aalto大学的Olli Ikkala教授和彭勃研究员开发出一种受磁场驱动的胶体颗粒（软铁磁性镍胶体超粒子，SFNCSs），磁场驱动诱导SFNCSs组装和阻滞，从而实现双稳态记忆和响应可塑性。在两个电极之间组装/拆卸由SFNCSs构成的导电微柱，并由SFNCSs的多刺状表面为主导触发的胶体阻滞引起传导滞后和双稳态记忆，从而实现以三种不同的磁场驱动方式对其传导性进行可塑性调节的目的：
- 非线性调节：先增强磁场至高磁场，系统稳定后将磁场减弱至目标低磁场；
- 动力学调节：以不同的磁场变化速率将低磁场/高磁场逐步增强/减弱为目标磁场；
最后，采用基础的器件展现出材料响应远程控制可塑性这一概念的实际可行性，该研究对于材料响应可塑性的探索将有助于新一代适应性功能材料的研发。该理论的相关成果发表在Science Advances 杂志上，论文第一作者为在读博士生刘贤虎，通讯作者为彭勃研究员和Olli Ikkala教授。由多刺状表面SFNCSs构建的导电微柱在磁场驱动下实现动态组装和拆卸的可调谐、双稳态、历史依赖性和脉冲诱导塑性方案。图片来源：作者提供。 1）非线性调节：磁驱动SFNCSs的组装、拆卸及阻滞SFNCSs在磁场的驱动下将沿着磁场方向组装成柱状；去除磁场后，由于颗粒的多刺状表面诱导堵塞，镍柱结构得到部分保留，而不是转变为最初无磁场驱动时的平铺状态。出于该材料的导电性，作者设计了将材料的结构信息转变为电信号的器件。因此去除磁场后的镍柱结构记忆、阻滞行为可表达为电信号的记忆行为。当磁场大小为0时，颗粒平铺在器件表面，器件处于断路状态，电流为0；在初始施加40 mT 磁场的前提下，磁场降至目标磁场0时电流的保存率接近70%。并且可通过对初始施加磁场的大小、初始磁场与目标磁场的差值以及初始磁场的保留时间的调控，实现对电流信号保存率的非线性调控。磁场驱动的SFNCSs组装、部分拆卸和阻滞，实现可调谐和双稳态迟滞的电流响应。图片来源：Sci. Adv.
当逐步将磁场从初始磁场0/40 mT 逐步增强/减弱至目标磁场40/0 mT 时，由于镍柱结构的迟滞记忆行为，变化磁场驱动下的镍柱结构“抗拒”其带来的结构改变，因此导致电流响应远低于/高于对系统直接施加目标磁场时所产生的电流响应。由于镍柱的“抗拒”行为导致的响应差异受磁场变化的速率影响，越快的磁场变化将导致越小的响应差异。SFNCSs在不同变化速率的磁场驱动下的电流响应。图片来源：Sci. Adv.当对系统施加ON (32 mT)-OFF (0 mT）脉冲磁场时，可以通过调谐磁场的脉冲频率来实现对电流响应的促进/抑制调节。并且在相同空间中，颗粒密度低，阻滞程度更低，更容易实现对电流响应的促进调节。SFNCSs在不同频率的脉冲磁场驱动下的电流响应。图片来源：Sci. Adv.
通过构建磁传感器矩阵，并将每个传感器与其对应位置的LED相连接，从而实现了响应远程控制可塑性的基础展示。当磁铁从远离磁传感器处快速靠近磁传感器时，相当于对磁传感器施加了快速增强至目标磁场大小的磁场，SFNCSs组装成镍柱并连通电路，对应的LED亮起，且其亮度明显高于将磁铁从远离磁传感器处缓慢靠近磁传感器时导致的LED亮度。同样的，直接将磁铁置于磁传感器正上方，LED亮起后，快速/缓慢将磁铁移至远离磁传感器处，快速移除磁铁导致的LED亮度变暗更明显。并且利用阻滞现象导致的结构/电流响应记忆行为，在磁传感器矩阵上方用磁铁“书写”了“AALTO”。远程控制响应可塑性的展示。图片来源：Sci. Adv.Magnetic field-driven particle assembly and jamming for bistable memory and response plasticityXianhu Liu, Hongwei Tan, Carlo Rigoni, Teemu Hartikainen, Nazish Asghar, Sebastiaan van Dijken,Jaakko V. I. Timonen, Bo Peng*, Olli Ikkala*Sci. Adv., 2022, DOI:10.1126/sciadv.adc9394Olli Ikkala教授是芬兰科学与文学院及芬兰工程学院Fellow, 曾两次获得Academy Professorship, 两次获得ERC Advanced Grant, 曾担任芬兰物理学会主席及Science杂志的编辑，现为阿尔托2018杰出教授，曾领导HYBER（the center of excellence in molecular engineering of biosynthetic hybrid materials research）中心，任主任一职 (2014-2019)。H-index: 78, 发表了近300篇论文，其中包括4篇Science，2篇Nature Nanotechnology，1篇Nature Materials，以及49篇Nature Comm., Science Adv., JACS, PNAS, Angew. Chem. 和Adv. Mater.彭勃研究员于2013年博士毕业于荷兰乌特勒支（Utrecht University），后在牛津大学（University of Oxford）化学系从事博士后研究，2017年底加入阿尔托大学，2018年获欧盟玛丽居里学者，2019年获芬兰科学院学者。主要从事胶体，高分子材料的设计，自组装及应用的研究，已发表>50篇论文，主要结果发表于Nature Nanotechnology, Science Adv., Angew. Chem. 以及Adv. Mater.上。
