文章导读
你是否想过，未来手机屏幕能自动调节温度，建筑外墙可瞬间切换伪装，甚至机器人皮肤能随意变形？中国科学技术大学团队在Cell Press旗舰期刊Device发表突破性成果：他们研发出一种磁控像素阵列功能表面，一举攻克了可编程材料领域长期存在的难题——既能像“电子墨水屏”般快速重编程，又能像机械开关一样稳定自维持，无需持续耗能！这项技术通过独特的三极锁定机制，让单个像素点实现颜色、润湿性、反射率的精准调控，更神奇的是，同一块表面还能编程出千变万化的三维形态。从动态信息显示、智能液滴操控，到建筑节能控温、软体机器人变形，这项颠覆性技术正为多领域开启无限可能。
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近日，中国科学技术大学工程科学学院、人形机器人研究院李木军副教授联合裴刚、张世武教授等研究人员，提出了一种由磁控像素阵列构成的功能表面，其表面像素的功能状态可快速重复编程并且能够稳定自维持，实现了表面颜色、润湿性、反射率以及磁驱动表面变形的灵活调制。成果以“Reprogrammable and bistable magnetically driven pixel array with customizable surface properties”为题发表于Cell Press（细胞出版社）仪器设备相关领域旗舰期刊Device上。
可编程功能表面可对光学性质、润湿性、粘附性等表面性质进行按需调控，在自适应伪装、疏水防冰以及建筑节能等领域具有广泛应用前景。然而，现有可编程功能表面面临着表面状态稳定自维持和快速可重构能力需要权衡的挑战。场响应材料的集成为功能表面的重复编程提供了便利，但需要持续的能量输入来维持已编程的功能；形状记忆材料和功能涂层等技术可用于稳定保持表面状态，但会使重编程过程变得复杂耗时。
图1.可快速重编程和稳定自维持的磁控功能表面
针对上述问题，研究团队提出了一种形状类似于书页的磁控柔性结构作为表面像素，并开发了脉冲磁针用于快速编程像素的状态（图1）。像素中磁性“片”和“条”之间的三极锁定机制能够锁定像素的状态，从而无需外部能量输入即可维持已编程的表面功能。同时，可通过移动脉冲磁针编程表面上任意位置的像素状态，实现局部表面功能的灵活定制。在此基础上，构建了磁驱可编码功能表面（图2）。通过编程颜色像素可显示不同字符图案，实现信息存储或动态伪装；通过编程润湿性像素可定制表面特定区域的亲水性，从而实现液滴输运；通过编程反射率像素可在相同辐射热源下调控表面特定区域的温度响应，有望应用于建筑或设备表面的快速控温。此外，通过可逆地调控表面像素的磁化方向，同一表面在磁场驱动下能可编程地展现出不同的形状，展示了该方法应用于软体机器人领域的潜力。
图2.表面颜色、润湿性、反射率以及变形的像素级调控
中国科学技术大学精密机械与精密仪器系硕士研究生吴纪旸是该论文的第一作者，中国科学技术大学李木军副教授，裴刚、张世武教授为共同通讯作者。澳大利亚伍伦贡大学李卫华教授为论文共同作者。该研究得到了科技部国家重点研发计划、安徽省自然科学基金、中国科学技术大学“双一流”计划研究基金支持。部分实验获得了中国科学技术大学微纳研究与制造中心、中国科学技术大学理化科学实验中心等平台支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.device.2025.100891
（工程科学学院、人形机器人研究院、科研部）
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