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高能形状记忆聚合物为机器人打造有力肌肉

科技日报 2021-09-09 作者:张梦然

  拉伸或变形的形状记忆聚合物在加热或光照后,会恢复到原来的形状,这些材料已在柔性机器人、智能生物医学设备、可展开空间结构等方面展现出巨大潜力。

  但是目前,它们储存的能量还不能满足需求。据《美国化学会中心科学》期刊8日报道,研究人员现已开发出一种形状记忆聚合物,其存储的能量几乎是以前版本的6倍。

  形状记忆聚合物可在原始未变形状态和二次变形状态之间交替。变形状态通过拉伸聚合物形成,并通过分子变化保持在适当的位置,例如动态键合网络或应变诱导结晶,这些变化可通过热或光逆转,聚合物通过释放存储的熵能恢复到其原始状态。但这需要聚合物储存大量能源。于是,研究人员想要开发一种新型形状记忆聚合物,可以拉伸成稳定的、高度拉长的状态,使其在恢复到原始状态时释放大量能量。

  美国斯坦福大学科学家领导的研究团队此次将4,4'-亚甲基双(苯基脲)单元结合到丙二醇聚合物骨架中。在原始状态下,聚合物链是缠结和无序的。拉伸导致链对齐并在尿素基团之间形成氢键,从而产生稳定的高度伸长状态的超分子结构。加热会导致键断裂,聚合物收缩至其初始无序状态。

  在测试中,该聚合物可拉伸至其原始长度的5倍,并储存高达17.9焦/克的能量——几乎是之前形状记忆聚合物的6倍。研究团队证明,拉伸后的材料可利用这种能量在加热时举起自身重量5000倍的物体。

  研究人员还将预拉伸的聚合物连接到木制人体模型的上臂和下臂,用作人造肌肉。加热时,材料收缩导致人体模型在肘部弯曲手臂。研究人员表示,除了创纪录的高能量密度外,形状记忆聚合物价格也很便宜,原材料成本约为每磅11美元,且易于制造。

  总编辑圈点

  让机器人更灵敏,使人造皮肤更贴合,让假肢兼具力量和触觉……这些看似大不相同的理念,背后都昭示着一个材料行业的巨大改变,那就是:它们将不再刚硬。形状记忆聚合物将是有力量的、可拉伸的、可生物降解的,甚至可自我修复的。巨大的屏幕也可以叠进衣兜;一层人造皮肤或许就能像手机一样实现人类沟通交流;残疾人的假肢也将拥有温暖、顺滑、细腻的触感……这种高能材料现在看起来很高冷,但在未来,它将渗透到生活的每一处。

责任编辑:刘鑫嵘

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