中國科大成功開發(fā)自響應(yīng)可變機電性能材料

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院機器人與智能裝備研究所張世武教授研究團隊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)外界機械載荷和電信號變化從而自主調(diào)節(jié)機械剛度、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。由低熔點合金和彈性聚合物組成的復(fù)合材料是當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)的機械載荷下指數(shù)增強超過一千萬倍。當材料被加熱至60℃以上時，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)變剛度補償器和(B)可復(fù)用保險絲

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)了一種可用于機械臂關(guān)節(jié)的可變剛度多軸柔性補償器（圖2A）。這種補償器可以通過變形為機械臂提供位置和角度誤差補償，從而避免在復(fù)雜操作環(huán)境中由于磕碰損壞電機和設(shè)備。此外當關(guān)節(jié)變形達到預(yù)設(shè)幅度時還可以觸發(fā)補償器減小剛度以進一步增加補償量。與當前最先進的商業(yè)補償單元相比（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絲（圖2B）。當達到預(yù)設(shè)的熔斷電流后，保險絲的電阻可在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現(xiàn)了可調(diào)節(jié)電氣和機械性能的協(xié)同利用，充分展現(xiàn)了它為下一代軟體機器人和電子設(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目資助。