自响应可变机电性能材料问世

近日，记者从中国科学技术大学获悉，该校工程科学学院机器人与智能装备研究所张世武教授团队与国外专家团队组成的联合研究组，成功开发了一种可以响应外界机械载荷和电信号变化从而自主调节机械刚度、电导率和灵敏度的新型复合材料。相关研究成果日前发表在《科学进展》上。

传统材料的电导率和机械刚度等物理性能往往是固定不变的。但如今越来越多的应用场景，如软体机器人、医疗手术设备和可重构电子器件等，需要一种可根据环境变化主动调节物理性能的智能材料。然而，现有的此类材料往往需要外部控制装置来调节温度，不能自主响应外部环境变化。并且这些材料只能在绝缘体和导体间切换，而不能实现电阻的连续调节。

为此，该联合研究组开发了一种由镍微米颗粒、低熔点菲尔德合金和聚合物基体组成的复合导电弹性体。这种材料的电导率可在包括压缩、拉伸、扭转、弯曲在内的机械载荷下指数增强超过1000万倍。当材料被加热至60℃以上时，其中的菲尔德合金颗粒熔化。熔化的菲尔德合金液滴不能像固体颗粒一样互相接触以形成导电路径，而是在机械载荷下随聚合物基体变形。这显著降低了材料的弹性模量、导电性和应变灵敏度，从而实现刚度和电阻的自触发协调增效调节。

通过将这种材料的可调节电阻与刚度特性相结合，该联合研究组开发了一种可用于机械臂关节的可变刚度多轴柔性补偿器。与当前最先进的商业补偿单元相比，该联合研究组开发的装置提供了大得多的弯曲补偿。此外，该联合研究组还基于这种材料开发了一种可重复使用的限流低温保险丝，它具有更紧凑的结构、更低的熔断温度以及更快的熔断和恢复速度。

这种可响应环境变化的智能材料充分展现了它为下一代软体机器人和电子设备带来革命性改变的潜力。