中國科大成功開發(fā)自響應(yīng)可變機(jī)電性能材料

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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研究團(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(hào)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。該成果以“Electro-mechano responsive elastomers with self-tunable conductivity and stiffness”為題于2023年1月25日發(fā)表在Science Advances上（DOI:10.1126/sciadv.adf1141）。

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(chǎng)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(dòng)調(diào)節(jié)物理性能的智能材料。由低熔點(diǎn)合金和彈性聚合物組成的復(fù)合材料是當(dāng)前廣泛采用的一種解決方案，通過在室溫附近融化/凝固合金填料，復(fù)合材料可以實(shí)現(xiàn)軟/硬和導(dǎo)電/絕緣之間的切換。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)。

圖1 FMHE的(A)微觀結(jié)構(gòu)和(B)電學(xué)性能

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（FM）和聚合物基體組成的復(fù)合導(dǎo)電彈性體（FMHE）。歸功于不規(guī)則鎳顆粒和FM顆粒形成的多填料導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（圖1A），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(shí)，其中的FM顆粒融化。熔化的FM液滴不能像固體FM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 （圖1B）。由于材料在變形時(shí)電阻顯著降低，由3V電壓供電的復(fù)合材料可以在特定壓力下被加熱以融化FM顆粒，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)。

圖2 基于FMHE開發(fā)的(A)變剛度補(bǔ)償器和(B)可復(fù)用保險(xiǎn)絲

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（圖2A）。這種補(bǔ)償器可以通過變形為機(jī)械臂提供位置和角度誤差補(bǔ)償，從而避免在復(fù)雜操作環(huán)境中由于磕碰損壞電機(jī)和設(shè)備。此外當(dāng)關(guān)節(jié)變形達(dá)到預(yù)設(shè)幅度時(shí)還可以觸發(fā)補(bǔ)償器減小剛度以進(jìn)一步增加補(bǔ)償量。與當(dāng)前最先進(jìn)的商業(yè)補(bǔ)償單元相比（可彎曲1°），研究組開發(fā)的裝置提供了大得多的彎曲補(bǔ)償（可彎曲16.5°）。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(xiǎn)絲（圖2B）。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的熔斷電流后，保險(xiǎn)絲的電阻可在0.1秒內(nèi)增加1000倍以切斷電路，并在10秒內(nèi)恢復(fù)至可用狀態(tài)。與商用可復(fù)用保險(xiǎn)絲相比，它具有更緊湊的結(jié)構(gòu)（<1mm），更低的熔斷溫度（65℃），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。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院博士后贠國霖為論文的第一作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張世武教授，英國伯明翰大學(xué)唐詩楊副教授和澳大利亞伍倫貢大學(xué)的李衛(wèi)華教授為論文的共同通訊作者，合作者還包括英國劍橋大學(xué)的TawfiqueHasan教授。該研究得到了國家自然基金委項(xiàng)目資助。