自響應(yīng)可變機(jī)電性能材料問世

(資料圖)

記者1月29日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)了解到，該校工程科學(xué)學(xué)院機(jī)器人與智能裝備研究所張世武教授團(tuán)隊(duì)與英國和澳洲合作者組成的聯(lián)合研究組，成功開發(fā)了一種可以響應(yīng)外界機(jī)械載荷和電信號變化從而自主調(diào)節(jié)機(jī)械剛度、電導(dǎo)率和靈敏度的新型復(fù)合材料。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

傳統(tǒng)材料的電導(dǎo)率和機(jī)械剛度等物理性能往往是固定不變的。但如今越來越多的應(yīng)用場景，例如軟體機(jī)器人、醫(yī)療手術(shù)設(shè)備和可重構(gòu)電子器件，需要一種可根據(jù)環(huán)境變化主動調(diào)節(jié)物理性能的智能材料。然而，現(xiàn)有的此類材料往往需要外部控制裝置來調(diào)節(jié)溫度，不能自主響應(yīng)壓力或變形等環(huán)境變化。這些材料只能在絕緣體和導(dǎo)體間切換，而不能實(shí)現(xiàn)電阻的連續(xù)調(diào)節(jié)。

為填補(bǔ)這一研究空缺，聯(lián)合研究組開發(fā)了一種由鎳微米顆粒、低熔點(diǎn)菲爾德合金和聚合物基體組成的復(fù)合導(dǎo)電彈性體。這種材料的電導(dǎo)率可在包括壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲在內(nèi)的機(jī)械載荷下指數(shù)增強(qiáng)超過一千萬倍。當(dāng)材料被加熱至60℃以上時，其中的菲爾德合金顆粒融化。熔化的菲爾德合金液滴不能像固體顆粒一樣互相接觸以形成導(dǎo)電路徑，而是在載荷下隨聚合物基質(zhì)變形。這顯著降低了材料的彈性模量，導(dǎo)電性和應(yīng)變靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)剛度和電阻的自觸發(fā)協(xié)調(diào)增效調(diào)節(jié)。

通過將這種材料的可調(diào)節(jié)電阻/剛度特性相結(jié)合，研究組開發(fā)了一種可用于機(jī)械臂關(guān)節(jié)的可變剛度多軸柔性補(bǔ)償器。與當(dāng)前最先進(jìn)的商業(yè)補(bǔ)償單元相比，研究組開發(fā)的裝置提供了大得多的彎曲補(bǔ)償。此外，研究組還基于這種材料開發(fā)了一種可重復(fù)使用的限流低溫保險絲，它具有更緊湊的結(jié)構(gòu)、更低的熔斷溫度以及更快的熔斷和恢復(fù)速度。

這種可響應(yīng)環(huán)境變化的智能材料實(shí)現(xiàn)了可調(diào)節(jié)電氣和機(jī)械性能的協(xié)同利用，充分展現(xiàn)了它為下一代軟體機(jī)器人和電子設(shè)備帶來革命性改變的潛力。

(中國科大供圖)

關(guān)鍵詞： 這種材料 物理性能 智能材料 可重復(fù)使用 固體顆粒