自響應可變機電性能材料問世

(資料圖)

記者1月29日從中國科學技術大學了解到，該校工程科學學院機器人與智能裝備研究所張世武教授團隊與英國和澳洲合作者組成的聯合研究組，成功開發了一種可以響應外界機械載荷和電信號變化從而自主調節機械剛度、電導率和靈敏度的新型復合材料。相關研究成果日前發表在《科學進展》上。

傳統材料的電導率和機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用場景，例如軟體機器人、醫療手術設備和可重構電子器件，需要一種可根據環境變化主動調節物理性能的智能材料。然而，現有的此類材料往往需要外部控制裝置來調節溫度，不能自主響應壓力或變形等環境變化。這些材料只能在絕緣體和導體間切換，而不能實現電阻的連續調節。

為填補這一研究空缺，聯合研究組開發了一種由鎳微米顆粒、低熔點菲爾德合金和聚合物基體組成的復合導電彈性體。這種材料的電導率可在包括壓縮、拉伸、扭轉、彎曲在內的機械載荷下指數增強超過一千萬倍。當材料被加熱至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電路徑，而是在載荷下隨聚合物基質變形。這顯著降低了材料的彈性模量，導電性和應變靈敏度，從而實現剛度和電阻的自觸發協調增效調節。

通過將這種材料的可調節電阻/剛度特性相結合，研究組開發了一種可用于機械臂關節的可變剛度多軸柔性補償器。與當前最先進的商業補償單元相比，研究組開發的裝置提供了大得多的彎曲補償。此外，研究組還基于這種材料開發了一種可重復使用的限流低溫保險絲，它具有更緊湊的結構、更低的熔斷溫度以及更快的熔斷和恢復速度。

這種可響應環境變化的智能材料實現了可調節電氣和機械性能的協同利用，充分展現了它為下一代軟體機器人和電子設備帶來革命性改變的潛力。

(中國科大供圖)

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