综述：磁活性超材料：最新研究综述

《Advanced Engineering Materials》：Magnetoactive Metamaterials: A State-of-the-Art Review

磁响应超材料（MMs）是一种智能材料，通过外部磁场动态控制其机械、声学和弹性特性。本文综述了MMs的最新进展，重点介绍了其设计策略、制造方法和在生物医学设备、软体机器人和自适应结构等领域的广泛应用。研究特别探讨了磁响应软复合材料与机械超材料的结合，展示了其可调物理和机械性能、形状变形及波操控能力。关键制造方法包括3D/4D打印和传统模塑技术，强调其在创建复杂功能性架构中的作用。此外，嵌入硬磁和软磁颗粒对MMs性能的影响也被研究，以实现无接触驱动、快速响应和多功能性。文章最后展望了未来研究方向，提倡利用机器学习技术优化超材料设计。该综述为研究人员和工程师提供了宝贵的资源，旨在利用这些先进的自适应材料开发下一代技术。

　　磁活性超材料（MMs）是一种前沿的智能材料，它结合了磁活性材料与结构化机械超材料，使得其机械、声学和弹性特性能够通过外部磁场实现动态调控。这种材料的设计策略、制造方法和应用领域构成了当前研究的重点，特别是在生物医学设备、软体机器人和自适应结构等领域的潜力尤为突出。文章系统总结了MMs的最新进展，强调了其通过磁场实现的可编程行为、可调物理性能和波操控能力，探讨了嵌入硬磁和软磁粒子对MMs性能的影响，以及其在接触式驱动、快速响应和多功能性方面的优势。此外，文章还展望了未来的研究方向，提倡利用机器学习技术优化超材料设计，以实现更先进的自适应材料，推动下一代技术的发展。

超材料作为材料科学中的创新概念，最初是在电磁学领域发展起来的，用于操控光波和无线电波。随着研究的深入，它们被扩展到机械、弹性以及声学应用中。机械超材料的设计旨在实现超越传统材料的特性，如负压缩性、负刚度和负泊松比（即“负泊松效应”），这些特性源于其内部结构的精密设计，而非材料本身的属性。这些材料的设计灵感来源于自然系统，如细胞结构、蜂窝结构以及折纸和剪纸的几何原理。早期的机械超材料通常依赖于简单的重复单元结构，但现代研究正在向更复杂和更精细的配置发展。

尽管机械超材料展现出独特的性能，但其通常为静态材料，限制了其在实际应用中的适应性。因此，研究者们开始关注主动超材料，这类材料能够对环境刺激做出动态响应，实现实时的波传播控制。主动超材料引入了时间维度，使材料能够表现出可编程和自适应的行为，为智能设备的发展提供了重要突破。文章指出，磁活性超材料在这一领域具有显著优势，包括非接触式激活、快速可逆响应以及远程控制能力，使其成为未来自适应材料设计的理想选择。

磁活性材料的分类和特性研究显示，其可分为纯磁性材料和磁性复合材料。纯磁性材料如Terfenol-D、Metglas和Galfenol，因其出色的磁活性性能，常用于高性能的机械结构。而磁性复合材料则通过将磁性粒子嵌入非磁性聚合物基质中，实现了机械特性和磁性特性的平衡。这些复合材料能够展现出广泛的机械行为，从柔软到刚性，并且在设计时可以通过调整磁性粒子的类型、浓度和排列方向来实现所需的磁性和机械性能。磁性复合材料的机械性能虽然不如纯磁性材料，但其具有更高的灵活性和多功能性，适合需要形状变化和动态响应的应用场景。

文章详细介绍了磁活性机械超材料（MMMs）的设计和应用，包括其在形状变化和机械性能调整方面的研究进展。例如，Han等人提出了一种基于磁活性弹性体（MAE）的立方八面体单元结构，能够通过均匀和梯度磁场实现可逆的形状变化和机械性能调整。此外，Roh等人设计了一种基于3D打印的“弹性蛋白”网格结构，能够通过磁场和毛细作用实现复杂的形状变化。这些材料在生物医学领域展现出潜力，如用于开发智能支架和软体机器人。

磁活性声学超材料（MAMs）的研究则聚焦于如何通过磁场操控声波，实现超越传统声学材料的功能。这类材料能够通过改变其内部结构或有效性能来实现声波的操控，包括负弹性模量、负有效密度以及可调声学带隙等特性。这些特性使得MAMs在噪声控制、超声成像和能量收集等领域具有重要应用潜力。例如，Tang等人研究了磁场对膜状声学超材料共振频率的影响，展示了其在低频噪声控制中的潜力。Chen等人则利用磁活性弹性体和膜结构设计了能够实现可调声学性能的超材料，进一步拓展了其在声学设备中的应用范围。

磁活性弹性超材料（MEMs）则关注如何通过磁场调整弹性波的传播特性。这类材料通过调整单元结构的共振频率，实现了对弹性波带隙的控制，从而有效抑制和引导波传播。例如，Pierce等人开发了一种基于磁活性弹性体的周期性结构，能够通过磁场实现弹性波带隙的实时调整。这些研究不仅展示了MEMs在波操控方面的潜力，还揭示了其在非破坏性检测、结构健康监测和振动控制等领域的广泛应用。

在制造方法方面，文章讨论了多种技术，包括3D/4D打印和传统模具成型。3D打印技术为制造复杂、功能化的结构提供了可能性，而传统模具成型则在某些简单结构中仍具有成本效益。随着研究的深入，4D打印技术的出现使得智能材料能够在时间维度上实现动态变化，为开发自适应机械超材料提供了新的途径。这些技术的结合不仅提高了材料的制造精度，还增强了其在不同应用场景中的灵活性和适应性。

尽管磁活性超材料展现出巨大的应用前景，但其发展仍面临诸多挑战，如高成本、制造复杂性和能量效率问题。未来的研究需要在这些方面进行深入探索，同时结合机器学习等先进技术，实现材料设计的优化和性能的提升。此外，磁活性超材料在电磁波控制和热管理等新兴领域的潜力也值得关注，其通过磁场调控几何结构和有效材料参数的能力，为开发自适应设备提供了广阔的空间。

总之，磁活性超材料代表了材料科学的前沿领域，其结合了磁活性材料的动态响应能力和机械超材料的结构化设计，使得材料能够实现前所未有的性能调控。通过不断的技术创新和跨学科研究，这些材料有望在未来的技术发展中发挥重要作用，推动从生物医学到航空航天等多个领域的进步。