科学家造出导电磁性微颗粒,实现LED灯亮

你知道吗？长期处于嘈杂环境中的人，会慢慢地“屏蔽”背景噪音；而有过痛苦拔牙经历的人，哪怕面对常规的牙齿检查，也会产生强烈的抵触。前者在生理学上被称为脱敏化，后者则被称为敏化。它们的共同之处在于，都是由于记忆而引起的自适应行为。

在中国传统文化中，自适应行为也有对应的体现。我们熟知的谚语“一年被蛇咬，十年怕井绳”、以及“狼来了”的儿童故事，都体现了基于记忆的人类自适应行为。

对于科学家来说，谚语未必只是谚语，故事也未必只是故事。面对这些文化典故，芬兰阿尔托大学应用物理系研究员彭勃所想的是：可否使用人造材料，来模拟这种由记忆诱发的自适应行为？

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彭勃（来源：彭勃）

既然是人造材料，必然涉及到仿生。仿生，是一个融合生物学和电子学的合成词，最早于年由美国科学家杰克·斯蒂尔（JackE.Steele）首次提出。

仿生学可谓“既古老又年轻”。早在唐朝，诗人白居易就曾写过“在天愿作比翼鸟”的诗句，可见人类对于拥有其他生物的优势早有向往。而直到20世纪，才诞生了仿生学。

用中国成语来讲，仿生有着“师法自然”的含义。大自然是人类最好的老师，它教会我们利用自然的办法去解决人类的问题。目前，在人类生活中已有不少利用自然仿生的成熟案例。

例如，仿照荷叶的表面结构与化学，人们造出了超疏水表面，并将其大规模地用于防污自清洁涂料；通过模仿鲨鱼皮的表面结构，可以制备抗菌、减阻的人造皮肤，从而用于游泳衣和船舶外衣。

需要指出的是，这些都属于静态仿生的范围。生命体的很多功能都是动态的，并且具有自适应性，这也对仿生提出了新要求。

利用液相法制备导电磁性微颗粒

正如前面所说，生物对于外部环境的自适应性，和自身记忆紧密相关。有了记忆之后，生物体的功能与属性，可以随着外部环境的变化而调整，从而实现更好的生存。

此前，已有计算机和人工智能领域的学者做过一些探索，他们利用复杂的计算机算法，对复合电子器件群进行控制，从而实现部分的记忆行为。

与之迥然不同的是，彭勃则从材料设计的角度出发，利用液相法制备了导电磁性微颗粒，这是一种具有粗糙表面结构的颗粒。

据介绍，他和团队用磁场对颗粒进行定向组装，借此形成具有圆锥状的导电柱，以达到闭合回路、产生电流的开关功能。

（来源：ScienceAdvances）

凭借粗糙的表面结构，经过定向组装过程之后，部分导电柱会被保留，从而出现结构记忆的现象。虽然在机理上，和故事“狼来了”所体现的人类自适应行为有所不同，但是它们的记忆在本质是类似的。

基于此，彭勃对这种表面结构的电导率，进行脱敏和敏化的处理，并将其用于远程控制LED阵列手写板。

近日，相关论文以《用于双稳态记忆和响应可塑性的磁场驱动粒子组装和干扰》（Magneticfield–drivenparticleassemblyandjammingforbistablememoryandresponseplasticity）为题发表在ScienceAdvances上[1]。

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相关论文（来源：ScienceAdvances）

XianhuLiu是第一作者，彭勃以及同系的奥利·伊卡拉（OlliIkkala）教授担任共同通讯作者。

LED灯光亮度也能进行记忆性调节？

研究中，根据之前合成磁性材料的经验，彭勃团队通过引入溶剂热合成法来量产磁性材料。一位硕士生和暑期生主要负责这一阶段，并对合成条件进行优化。

此后，他们又对材料组成、表面形貌、颗粒尺寸、磁性进行细致的表征，也对微颗粒间的磁性相互作用做以理论探索。

（来源：ScienceAdvances）

另外，大自然中蚂蚁通过自发搭建桥梁，来运输食物和“行军”的现象，也给彭勃课题组带来了一定启发。

从其他学者的实验室里，他们借来磁场产生器和电流探测器，探索了利用磁场驱动微颗粒来搭建电流开关的可行性。

接着，他们又陆续购买大型电磁铁、源表、大功率电源、控制器、冷却循环器、高性能摄像机等仪器。到货之后，大家搭建出一款测试系统，以用于实验观察和数据测量。

年秋，论文一作XianhuLiu加入团队之后，发现了特有的结构记忆行为，随后大家对该现象进行了深入研究。

后来，他们利用表面粗糙的磁性粒子作为模型，融合磁场诱导、以及微颗粒表面摩擦力的理论，探究了形成结构记忆的可能原因。同时，还探讨了在动态磁场下的记忆行为，也初步摸索了模仿生理过程。

（来源：ScienceAdvances）

最后，课题组决定使用磁响应写字板作为展示目标。利用电路设计的优势，他们设计了3乘3的磁性传感器方阵，并联入一款点亮的LED灯，来作为信号输出展示。值得注意的是，LED灯的亮度取决于磁传感器的记忆。

从设计、论证到最终展示，这项课题跨越三年之久，也经历了年的新冠疫情封锁。

疫情期间实验室被封三个月，研究进度一度受阻，这对大家来说是极大的考验。

为最大限度地利用居家办公的时间，实验室全员通读了一些理论，特别是磁性颗粒材料的自组装和表面拓扑学的理论，借此加深大家对于磁性颗粒运动行为的理解。最终通过融合两种理论，彭勃和团队描绘出一种特有的理论。

年春，新冠疫情再次肆虐，为了避免交叉感染，学校严格控制进入实验室的人数。

彭勃的学生为了方便实验，把部分电子实验样品和测试仪器搬到办公室走廊，就这样搭了一个临时实验室，让研究进度得以大大提升。同时，节假日里大家也加班加点，几周时间就完成了展示实验。

对于结构记忆的功能，课题组做了初步的应用展示。具体来说，他们将磁性导电柱与LED灯进行电路关联，集成出3乘3的阵列。

然后，利用生活中常见的磁铁作为笔，写出了“Aalto”的LED灯字样，字样亮度还能实现记忆性调节。

（来源：ScienceAdvances）

该成果最直接的潜在应用，便是作为磁响应智能开关。由于具备记忆的特性，这类开关可以根据用户偏好，制备私人订制模式的控制电器。更长远的应用范畴，还有模仿候鸟迁徙中的地磁定位、导航功能，以及用于人类生活的地磁GPS等。

未来，彭勃打算继续探索新材料的发展、对于理论的解释、以及拓宽应用场景。在新材料的发展上，现有的磁性微颗粒体系存在稳定性不高等缺陷，后续他和团队会对现有体系进行惰性保护，以保持较高的电导率。当然，也可以通过开发新的稳定体系，来产生结构记忆的特性。

在理论研究上，他们将引入分子动力学等先进模拟手段，借此观察不易被调节的实验条件对于实验结果的影响，进而来指导实验方向。

在应用场景的拓展上，除了提高磁手写板的分辨率，彭勃和团队还将增加手写板，届时将实现更精细的分辨率显示。同时，其还计划提高磁相应的阈值，从而达到可以对生物产生磁感应的灵敏度。

参考资料：

1.Liu,X.,Tan,H.,Rigoni,C.,Hartikainen,T.,Asghar,N.,vanDijken,S.,...Ikkala,O.().Magneticfield–drivenparticleassemblyandjammingforbistablememoryandresponseplasticity.ScienceAdvances,8(45),eadc.

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