近日，复旦大学智能机器人与先进制造创新学院智柔体设计与制造实验室徐凡教授团队提出基于智能优化算法的硬磁软材料变形可编程逆向设计方法，研究成果以Programmable inverse design framework for morphing hard-magnetic soft materials为题发表于国际权威期刊Int. J. Mech. Sci. (2025, 299, 110355)。复旦大学智能机器人与先进制造创新学院硕士生李茂源与博士后杨易凡为论文共同第一作者，徐凡教授是论文的通讯作者，论文合作者还包括博士生温雅、崔继斋青年研究员、类脑智能科学与技术研究院程炜研究员和光电研究院宋恩名青年研究员。研究得到国家杰出青年科学基金、上海市基础研究特区计划、上海市教委等资助。
论文简介 硬磁软材料(HMSMs)是一种形状可编程的活性材料，能够在外部磁场激励下发生快速、可逆的弹性变形，在软体机器人、柔性电子和生物医学器件等领域具有巨大应用潜力。目前大部分研究主要集中在硬磁软材料的正向问题，即预测结构在给定磁场下的变形响应。如何设计结构初始状态的材料磁化密度分布和外部驱动磁场参数，实现结构形态的灵活可控转换仍具有挑战。因此，亟需建立实现任意目标构形的可编程变形及复杂多模态形貌转变的反问题求解方法，以指导磁驱动柔性器件和软体机器人本体智能化的理性设计。 研究人员基于三维硬磁软杆模型建立了变形形状与磁化密度和外部磁场之间的函数关系，将软杆变形反问题转化为高度非线性的函数极值问题，利用三种智能优化算法（遗传算法、粒子群优化和模拟退火算法）求解柔性杆的磁化密度分布和外部磁场，从而实现了对硬磁软杆的多步逆向设计变形。研究人员首先采用了三种不同的磁化密度编程模式，包括连续域优化、离散域优化和混合域优化。通过对多种磁化密度组合下的目标形状进行编程（图1），展示了该框架在不同变形模式下的准确性和高效性。进一步地，研究人员将该方法拓展到更复杂的应用场景，展示了硬磁软材料多模态形貌转变可编程逆向设计。例如，研究人员设计了一种仿生游泳机器人，其四肢可以在磁场驱动下实现不对称的摆动，用于向前推进运动（图2）。此外，还开发了一种多指软体夹持装置，通过外部磁场调控可实现从松弛状态到抓取状态的多步变形过程（图3）。另外，该方法还可实现硬磁网络结构手性变形的可编程设计（图4）。 研究结果表明，该逆向设计框架不仅能实现复杂变形模式的灵活编程，还能指导硬磁软材料驱动的柔性器件和软体机器人的理性设计，具有广阔的应用前景，为软机器人、柔性驱动器等的本体智能化研发提供了新方法。 图1. 磁场驱动下硬磁柔性梁的圆弧构型逆向求解 图2. 硬磁软机器人多模态运动 图3. 硬磁软抓手的多步变形 图4. 硬磁柔性网络结构的手性变形设计 延伸阅读 智柔体设计与制造实验室关于硬磁软材料大变形力学理论建模方面的研究工作近年来取得了显著进展，赋能未来智能体本体智能化设计与研发，包括开发无网格模型预测硬磁软材料在外部磁场激励下的复杂运动模式（如爬行、行走和滚动）(Int. J. Mech. Sci., 2023, 258, 108566)；构建适用于细长硬磁弹性体的三维杆模型，能够有效模拟其在外部磁场作用下的空间变形行为（如拉伸、弯曲、扭转和屈曲）(Acta Mech. Sin., 2022, 38, 222085)；提出适用于厚壳和大曲率变形的磁驱弹性实体壳模型，通过对平面结构的磁化强度编程实现复杂形貌设计(Int. J. Mech. Sci., 2024, 271, 109129)。 原文链接： https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2025.110355 相关延伸链接： 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