理大研安全磁流變纖維獲《自然》刊登 可抓易碎物、遙距仿真手感、智能調溫

香港理工大學 (理大) 科研團隊在智能材料領域取得革命性突破，成功研發出可在人體安全磁場下，靈活變形並調控機械特性的柔軟磁流變紡織品。該物料以電力驅動、支持編程控制，同時兼具輕量、柔韌和透氣的紡織特性，可廣泛應用於智能穿戴、柔性機械人、虛擬實境 (VR) 和元宇宙虛擬觸感體驗等領域。

這種軟磁聚合物複合纖維以電力驅動、支持編程控制，同時兼具輕量、柔韌和透氣的紡織特性。

傳統磁流變材料長期受制於兩大瓶頸：磁粉笨重和高強度磁場對人體健康構成潛在風險。帶領該研究的理大智能可穿戴系統研究院院長、吳文政及王月娥紡織科技教授兼時裝及紡織學院紡織科技講座教授陶肖明教授指出：「研究團隊的核心目標是打破傳統磁流變技術的應用局限，拓展至纖維形式，既具精準智能調控，又能兼容紡織材料輕柔透氣的特性。」

香港理工大學陶肖明教授（左）及蒲俊宏博士（右）帶領的研究團隊研發可在人體安全磁場下靈活變形並調控機械特性的柔軟磁流變紡織品

科研團隊創新研製的軟磁聚合物複合纖維，直徑僅 57 微米，通過在塑膠物料 (低密度聚乙烯基質) 中均勻分散磁粉，不僅實現低強度磁場下的精準控制，更解決磁粉沉重問題，又可進一步編織成紗線、多層面料，實現大面積可控變形。該突破性研究獲研資局「2024/25 年度主題研究計劃」資助 6,237 萬港元，並已於國際期刊《自然》上發表，題為「矢量刺激響應的磁流變纖維材料」。

研究團隊利用這種具備獨特方向性可控反應能力的嶄新纖維開發了多種創新物料。

不同於傳統僅對電壓、電流、溫度等「標量刺激」反應的智能材料，團隊研發的磁流變紡織品具備獨特的方向性可控反應能力，三大創新物料包括：

研究團隊開發的創新物料包括能通過電流控制剛度靈活抓起易碎或不規則形狀物品的柔性「靈巧抓」。

• 柔性「靈巧抓」: 通過電流控制剛度，可如人類手指般靈活抓起易碎、豆腐、藍莓、綠豆糕、薯片和螺旋面等軟質、易碎或不規則形狀物品，大輻降低操作過程中的損壞或變形風險。

研究團隊開發的創新物料包括可精準模擬不同物體的表面紋理與觸感硬度的遙距仿真手感指套。

• 遙距仿真手感指套: 全織物材可精準模擬不同物體的表面紋理與觸感硬度，佩戴更輕便舒適，適用於遠程手術培訓、中風康復訓練、虛擬試衣等多元場景，彌補市面同類觸覺手套普遍存在過大和過重的不足。

研究團隊開發的創新物料包括通過電控磁場驅動纖維結構變形實現透氣量智能調節的主動通風調溫織物。

• 主動通風調溫織物: 針對紡織服裝的濕熱管理痛點，通過電控磁場驅動纖維結構變形，實現透氣量智能調節，顯著提升穿戴溫濕舒適度。

談及技術創新性，陶肖明教授解釋：「本研究的關鍵突破在於首次將傳統剛性磁性裝置轉化為柔性替代品，更可延伸至硬磁性纖維材料研發，為新一代柔性機械人、電磁裝置及可穿戴技術的研發奠定基礎。」

對於產業化前景，團隊成員、時裝及紡織學院助理教授(研究)蒲俊宏博士補充：「從原材料選擇到處理工藝，我們都考慮了產業化需求，採用已實現大規模量產的商品級原料，且處理工藝成熟，為技術快速落地食品生產、醫療康復、元宇宙交互等領域應用奠下基礎。」

由香港理工大學、香港城市大學及華中科技大學學者組成的聯合研究團隊，首次發現海膽棘刺內部的梯度多孔立體網狀骨架具有強大的機電感知能力，能迅速感應水流。團隊更利用3D打印技術，成功製造出仿生新材料傳感器，為傳感技術帶來重大突破。

由理大協理副校長（研究）、研究生院院長、郭氏集團仿生工程教授兼機械工程學系講座教授王鑽開教授帶領的研究團隊，首次發現海膽棘刺內部的梯度多孔結構具有強大機電感知能力，能在水流經過時產生電訊號，並利用3D打印技術製造仿生超材料傳感器。

研究團隊在刺冠海膽身上觀察到，當海水滴落在棘刺尖端時，棘刺會在一秒內迅速旋轉。電學測量發現，棘刺受水滴刺激後，內部會產生約百毫伏電壓；水流刺激也能產生約數十毫伏的電壓。這種機電感知能力在已死亡的棘刺中依然存在，證明相關機制與生物細胞無關。

研究團隊構建了一款3 × 3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均採用了仿海膽棘刺的梯度多孔結構，無需額外電源，即可在水下即時記錄電訊號，並精準定位水流衝擊位置。

這種反應源自棘刺內部的雙連續梯度多孔立體網狀骨架。該骨架由大小不一的孔洞組成，並沿棘刺的基部到尖端逐漸變化：基部孔洞較大、固體密度較低，尖端孔洞較小、固體密度較高。當水流經此多孔結構時，流液界面發生相互作用，流動液體對雙電層產生剪切作用，誘導界面電荷的分離和重新排佈，從而產生電壓差。梯度結構會令水流與孔壁的碰撞更劇烈，使電壓差更強，從而提升感知能力。

團隊觀察到，當海水滴落在海膽棘刺尖端時，棘刺會迅速旋轉。他們利用電學測量，發現棘刺受水滴刺激後，內部會產生約百毫伏電壓。

受此發現啟發，研究團隊利用光固化3D打印技術，以高分子聚合物和陶瓷製作出模仿棘刺結構的樣本。實驗證實，在水流刺激下，仿生梯度設計相較一般非梯度設計，電壓輸出高約三倍，訊號振幅更增約八倍，顯示機電感知能力的關鍵在於結構而非材料。

團隊更構建了一款3 × 3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均採用梯度多孔結構。該傳感器無需額外電源，即可在水下即時記錄電訊號，並精準定位水流衝擊位置。研究指出，海膽棘刺的梯度多孔結構強化了訊號傳遞，提升了傳感器的精準度及靈敏度。

這種強大的機電感知機制可以複製至不同材料，並有望延伸至感測水流以外的各種訊號，包括壓力、震動、電波等，啟發其他領域的傳感技術。例如在腦機接口中，可用以增強腦電波及神經訊號的傳遞。

海膽棘刺的機電感知能力源自其內部獨特的雙連續梯度多孔立體網狀骨架：由大小不一的孔洞組成，並沿棘刺的基部到尖端逐漸變化，基部孔洞較大、固體密度較低，尖端孔洞較小、固體密度較高。

領導研究的理大協理副校長（研究）、研究生院長王鑽開表示，相比傳統機械傳感器，團隊設計的仿生超材料傳感器在可生產性、結構設計可能性、材料通用性、幾何與性能控制能力及水下自我感測時間差能力等方面均更勝一籌。

研究團隊構建了一款3 × 3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均採用了仿海膽棘刺的梯度多孔結構，無需額外電源，即可在水下即時記錄電訊號，並精準定位水流衝擊位置。

王鑽開期望結合多孔結構的梯度與3D打印技術，以不同材料、孔徑及表面特徵來製造更多仿生超材料傳感器，在更多領域發揮應用潛力。他亦指出，對於天然多孔材料而言，強度等力學性能或許並非其核心功能，深入探索這些鮮為人知的生物機制，對推動仿生研究發展具有至關重要的意義。
 
此項聯合研究已刊登於國際頂尖學術期刊《自然》上。