近日，復旦大學智能機器人與先進制造創新學院智柔體設計與制造實驗室徐凡教授團隊提出基于智能優化算法的硬磁軟材料變形可編程逆向設計方法，研究成果以Programmable inverse design framework for morphing hard-magnetic soft materials為題發表于國際權威期刊Int. J. Mech. Sci. (2025, 299, 110355)。復旦大學智能機器人與先進制造創新學院碩士生李茂源與博士后楊易凡為論文共同第一作者，徐凡教授是論文的通訊作者，論文合作者還包括博士生溫雅、崔繼齋青年研究員、類腦智能科學與技術研究院程煒研究員和光電研究院宋恩名青年研究員。研究得到國家杰出青年科學基金、上海市基礎研究特區計劃、上海市教委等資助。
論文簡介 硬磁軟材料(HMSMs)是一種形狀可編程的活性材料，能夠在外部磁場激勵下發生快速、可逆的彈性變形，在軟體機器人、柔性電子和生物醫學器件等領域具有巨大應用潛力。目前大部分研究主要集中在硬磁軟材料的正向問題，即預測結構在給定磁場下的變形響應。如何設計結構初始狀態的材料磁化密度分布和外部驅動磁場參數，實現結構形態的靈活可控轉換仍具有挑戰。因此，亟需建立實現任意目標構形的可編程變形及復雜多模態形貌轉變的反問題求解方法，以指導磁驅動柔性器件和軟體機器人本體智能化的理性設計。 研究人員基于三維硬磁軟桿模型建立了變形形狀與磁化密度和外部磁場之間的函數關系，將軟桿變形反問題轉化為高度非線性的函數極值問題，利用三種智能優化算法（遺傳算法、粒子群優化和模擬退火算法）求解柔性桿的磁化密度分布和外部磁場，從而實現了對硬磁軟桿的多步逆向設計變形。研究人員首先采用了三種不同的磁化密度編程模式，包括連續域優化、離散域優化和混合域優化。通過對多種磁化密度組合下的目標形狀進行編程（圖1），展示了該框架在不同變形模式下的準確性和高效性。進一步地，研究人員將該方法拓展到更復雜的應用場景，展示了硬磁軟材料多模態形貌轉變可編程逆向設計。例如，研究人員設計了一種仿生游泳機器人，其四肢可以在磁場驅動下實現不對稱的擺動，用于向前推進運動（圖2）。此外，還開發了一種多指軟體夾持裝置，通過外部磁場調控可實現從松弛狀態到抓取狀態的多步變形過程（圖3）。另外，該方法還可實現硬磁網絡結構手性變形的可編程設計（圖4）。 研究結果表明，該逆向設計框架不僅能實現復雜變形模式的靈活編程，還能指導硬磁軟材料驅動的柔性器件和軟體機器人的理性設計，具有廣闊的應用前景，為軟機器人、柔性驅動器等的本體智能化研發提供了新方法。 圖1. 磁場驅動下硬磁柔性梁的圓弧構型逆向求解 圖2. 硬磁軟機器人多模態運動 圖3. 硬磁軟抓手的多步變形 圖4. 硬磁柔性網絡結構的手性變形設計 延伸閱讀 智柔體設計與制造實驗室關于硬磁軟材料大變形力學理論建模方面的研究工作近年來取得了顯著進展，賦能未來智能體本體智能化設計與研發，包括開發無網格模型預測硬磁軟材料在外部磁場激勵下的復雜運動模式（如爬行、行走和滾動）(Int. J. Mech. Sci., 2023, 258, 108566)；構建適用于細長硬磁彈性體的三維桿模型，能夠有效模擬其在外部磁場作用下的空間變形行為（如拉伸、彎曲、扭轉和屈曲）(Acta Mech. Sin., 2022, 38, 222085)；提出適用于厚殼和大曲率變形的磁驅彈性實體殼模型，通過對平面結構的磁化強度編程實現復雜形貌設計(Int. J. Mech. Sci., 2024, 271, 109129)。 原文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2025.110355 相關延伸鏈接： https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2024.109129 https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108566 https://doi.org/10.1007/s10409-022-22085-x