青年科学家专栏 | 硬磁软材料如何实现“磁场变魔术”？浙大团队综述多尺度建模前沿

硬磁软材料（Hard-Magnetic Soft Materials, HMSM）是一类由硬磁颗粒增强相与软聚合物基体复合而成的智能响应软材料。利用其独特的磁-力耦合效应，该材料在外加磁场激励下可实现精准可控的可编程变形，在软体机器人、生物医学、微流控等领域具有广阔的应用前景。为深入理解其力学行为并指导设计应用，针对硬磁软材料的本构理论与变形特征，相关研究已取得一系列进展。值得注意的是，硬磁软材料本质上具有多尺度结构特征，其宏观力学性能取决于磁颗粒的几何分布、软基体的材料性能等微观力学参数。基于此，本文从多尺度视角出发，对硬磁软材料的本构建模方法进行了系统综述。

文章首先介绍了硬磁软材料的构成组分及其相互作用机制。在颗粒增强相方面，重点阐述了硬磁颗粒（如钕铁硼、锶铁氧体）的高矫顽力与高剩磁特性，并与软磁颗粒进行对比，指出硬磁颗粒可在撤去外磁场后保持磁化状态，从而实现可编程变形。在软聚合物基体方面，文章分别讨论了三种典型基体：软弹性体（如PDMS、硅橡胶）提供高弹性和大变形能力，适用于软体机器人与磁控抓手；水凝胶具有高含水量和良好生物相容性，适用于药物递送与组织工程；形状记忆聚合物则通过磁-热协同驱动实现可逆形状重构与锁定。文章进一步分析了增强相与基体之间的相互作用，指出硬磁颗粒在基体约束下的旋转行为是产生内部扭矩并驱动宏观变形的核心机制，且基体刚度越低，磁场诱导变形越显著。

在此基础上，文章从多尺度视角系统介绍了硬磁软材料的本构建模方法。在微纳观尺度，文章涵盖了分子动力学模型、晶格模型、全场模型与相场模型，分别说明这些方法如何用于解析颗粒-基体界面的动态响应、偶极-偶极相互作用、全域应力分布以及磁畴演化过程，并指出各自的计算成本与适用局限性。在基于均匀化的多尺度建模方面，文章介绍了通过代表性体积单元将微观结构特征均匀化、推导等效宏观性能的基本思路，并讨论了该方法在揭示颗粒旋转、磁耗散及驱动效率等方面的应用。在宏观尺度，文章首先阐述了基于Helmholtz自由能框架的超弹性本构模型，用于描述材料的大变形行为；随后引入了考虑时间相关效应的黏弹性模型，用以表征蠕变、应力松弛及率相关特性；此外还专门讨论了磁边界条件（如非均匀磁场）对变形预测的影响。最后，文章介绍了数据驱动的本构建模方法，包括人工神经网络、残差网络、强化学习等在快速预测、逆向设计与智能控制中的应用，并对比了不同神经网络类型的特点与适用场景。

图1 硬磁软材料的多尺度分析. (a) 硬磁软材料力学响应的多尺度特性. (b) 硬磁软材料多尺度本构建模框架

总体来看，硬磁软材料的多尺度本构建模已形成从微观到宏观的完整理论链条，但仍面临三项关键挑战：其一，水凝胶、形状记忆聚合物等特殊基体的溶胀-变形-磁场耦合模型尚不成熟；其二，颗粒尺寸、形状及空间分布对宏观性能的多尺度影响难以精确量化；其三，传统均匀化方法计算成本高，数据驱动与物理模型的深度融合是未来突破的重点。可以预见，随着多尺度建模框架的不断完善，硬磁软材料将在软体机器人精准驱动、智能药物释放和仿生器件等领域释放更大潜力。

杨泓睿, 黄玉麟, 王韦鉴, 等. 硬磁软材料的多尺度本构建模综述. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2026, 56: 264602 

Yang H R, Huang Y L, Wang W J, et al. A review on multiscale constitutive modeling of hard magnetic soft materials (in Chinese). Sci Sin-Phys Mech Astron, 2026, 56: 264602, doi: 10.1360/SSPMA-2025-0158

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作者简介

王冠楠，浙江大学长聘副教授。主要从事细观力学本构、多尺度建模及极端环境下非均匀材料与结构的力学研究。在JMPS、IJSS、Sci Adv等国际期刊发表论文九十余篇，主持国家自然科学基金优青、面上及青年项目。担任国际功能梯度材料顾问委员会委员及多个国际期刊编委。研究成果应用于港珠澳大桥智能运维等重大工程，获中国公路建设协会科技进步奖，入选中国科协“青年人才托举工程”及斯坦福/Elsevier全球顶尖2%科学家榜单，并荣获2024 CMES Young Researcher Award。

杨泓睿，浙江大学在读博士研究生。主要从事软材料失稳与多尺度建模等方向的研究。目前在《中国科学：物理学 力学 天文学》、Advanced Functional Materials等学术期刊发表论文3篇。曾获茅以升工程教育学生奖、第16届国际计算方法大会（ICCM）最佳论文奖等多项奖励荣誉。