新型鐵電材料可變身機(jī)器人“肌肉”

美國科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國際研究小組表示，他們研制出的一種新型鐵電聚合物，能高效地將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械應(yīng)變，有望成為一種高性能的運(yùn)動控制器（致動器），在醫(yī)療設(shè)備、先進(jìn)機(jī)器人和精密定位系統(tǒng)中大顯身手，例如作為機(jī)器人的“肌肉”等。相關(guān)研究論文發(fā)表于最近的《自然·材料》雜志。

PVDF/TiO2的結(jié)構(gòu)分析和相場模擬。圖片來源：《自然·材料》雜志

鐵電材料是一類在施加外部電荷時(shí)表現(xiàn)出自發(fā)電極化的材料。在相變過程中，這些材料中的機(jī)械應(yīng)變可以使其形狀等特征發(fā)生變化，因此這種材料可用作致動器。致動器指在外力（如電能）作用下能變形的材料。

一般而言，這些致動器很堅(jiān)硬，但鐵電聚合物等軟致動器具有更高的靈活性和環(huán)境適應(yīng)性。聚合物是一類由許多相似單元結(jié)合在一起形成的材料，DNA和尼龍都是聚合物，鐵電聚合物的機(jī)械應(yīng)變比陶瓷等其他鐵電材料高得多。此外，鐵電聚合物還更柔韌、成本更低、質(zhì)量更輕，因此在軟機(jī)器人和柔性電子產(chǎn)品等領(lǐng)域更有前景。

研究團(tuán)隊(duì)指出，目前軟材料致動領(lǐng)域面臨兩大挑戰(zhàn)：提高軟材料的受力以及降低驅(qū)動場。為此，他們開發(fā)出了一種滲透性鐵電聚合物納米復(fù)合物PVDF/TiO2，這是一種附著在聚合物上的微型貼膜。通過將納米顆粒摻入聚合物聚偏二氟乙烯內(nèi)，研究人員在聚合物內(nèi)創(chuàng)造了一個(gè)相互連接的極網(wǎng)絡(luò)，使鐵電聚合物的相變能在比通常所需低得多（10%）的電場下被誘導(dǎo)，因此可用于醫(yī)療設(shè)備、光學(xué)設(shè)備和軟機(jī)器人等需要低驅(qū)動場的領(lǐng)域。

研究人員指出，最新研究讓人們?yōu)檐洐C(jī)器人開發(fā)“人工肌肉”成為可能，這種新材料更接近人類肌肉，除能承受大的應(yīng)變外，還能承受高負(fù)荷。