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中國科(ke)學(xue)技術(shu)大學(xue)工程(cheng)科(ke)學(xue)學(xue)院機(ji)(ji)器人與智能裝備研(yan)究(jiu)所(suo)張世(shi)武教授研(yan)究(jiu)團(tuan)隊與英國和(he)澳洲(zhou)合(he)作者組(zu)成(cheng)的(de)聯合(he)研(yan)究(jiu)組(zu)，成(cheng)功開發(fa)了一種可(ke)以響(xiang)應外界(jie)機(ji)(ji)械(xie)載荷和(he)電信號變(bian)化從(cong)而自主調節機(ji)(ji)械(xie)剛度、電導率和(he)靈(ling)敏度的(de)新型(xing)復(fu)合(he)材料。該(gai)成(cheng)果以“Electro-mechano responsive elastomers with self-tunable conductivity and stiffness”為題于2023年1月25日發(fa)表(biao)在Science Advances上(shang)（DOI:10.1126/sciadv.adf1141）。
傳(chuan)統材料的(de)電(dian)導率和機械剛度等(deng)物理性(xing)能(neng)往(wang)往(wang)是固定不(bu)變(bian)的(de)。但如今越(yue)(yue)來越(yue)(yue)多的(de)應(ying)用(yong)(yong)場(chang)景，例如軟體機器(qi)人、 醫(yi)療手術設備和可(ke)重(zhong)構(gou)電(dian)子器(qi)件，需要(yao)一(yi)種(zhong)可(ke)根據環(huan)(huan)境(jing)變(bian)化(hua)主(zhu)動調節(jie)物理性(xing)能(neng)的(de)智(zhi)能(neng)材料。由(you)低熔(rong)點合(he)(he)金和彈性(xing)聚(ju)合(he)(he)物組成的(de)復合(he)(he)材料是當前廣泛采用(yong)(yong)的(de)一(yi)種(zhong)解決方案(an)，通過在(zai)室(shi)溫附(fu)近融化(hua)/凝固合(he)(he)金填料，復合(he)(he)材料可(ke)以實(shi)現軟/硬和導電(dian)/絕緣之間的(de)切(qie)換(huan)。然而，現有的(de)此類材料往(wang)往(wang)需要(yao)外部控制裝置來調節(jie)溫度，不(bu)能(neng)自主(zhu)響(xiang)應(ying)壓力或變(bian)形等(deng)環(huan)(huan)境(jing)變(bian)化(hua)。這些材料只(zhi)能(neng)在(zai)絕緣體和導體間切(qie)換(huan)，而不(bu)能(neng)實(shi)現電(dian)阻的(de)連續調節(jie)。
圖1 FMHE的(A)微觀結構和(B)電(dian)學性(xing)能
為(wei)填補(bu)這一(yi)研究(jiu)空缺(que)，聯合研究(jiu)組開發了(le)一(yi)種(zhong)由鎳微米顆(ke)粒(li)(li)、低(di)熔點菲爾(er)德合金（FM）和(he)聚合物基體(ti)組成(cheng)的(de)(de)復合導(dao)(dao)電(dian)彈性體(ti)（FMHE）。歸功(gong)于不規(gui)則鎳顆(ke)粒(li)(li)和(he)FM顆(ke)粒(li)(li)形(xing)成(cheng)的(de)(de)多填料(liao)導(dao)(dao)電(dian)網絡（圖(tu)1A），這種(zhong)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)電(dian)導(dao)(dao)率可在包括壓(ya)(ya)縮(suo)、拉伸、扭轉、彎曲在內的(de)(de)機械載荷下指數增(zeng)強(qiang)超(chao)過一(yi)千萬(wan)倍。當(dang)材(cai)(cai)料(liao)被(bei)加熱(re)至60℃以(yi)上時，其中的(de)(de)FM顆(ke)粒(li)(li)融化(hua)。熔化(hua)的(de)(de)FM液滴不能像固體(ti)FM顆(ke)粒(li)(li)一(yi)樣(yang)互相接觸以(yi)形(xing)成(cheng)導(dao)(dao)電(dian)路徑，而是在載荷下隨聚合物基質變形(xing)。這顯著(zhu)降低(di)了(le)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)彈性模量，導(dao)(dao)電(dian)性和(he)應變靈敏度 （圖(tu)1B）。由于材(cai)(cai)料(liao)在變形(xing)時電(dian)阻顯著(zhu)降低(di)，由3V電(dian)壓(ya)(ya)供電(dian)的(de)(de)復合材(cai)(cai)料(liao)可以(yi)在特定壓(ya)(ya)力下被(bei)加熱(re)以(yi)融化(hua)FM顆(ke)粒(li)(li)，從而實現(xian)剛度和(he)電(dian)阻的(de)(de)自觸發協調增(zeng)效(xiao)調節。
圖(tu)2 基于FMHE開發的(A)變剛度(du)補償器和(B)可(ke)復(fu)用保險絲(si)
通(tong)過將這種(zhong)材料的(de)可(ke)(ke)(ke)調節電(dian)阻/剛(gang)度(du)特性相結合，研究組開發(fa)(fa)(fa)了(le)(le)一種(zhong)可(ke)(ke)(ke)用(yong)于機械臂關節的(de)可(ke)(ke)(ke)變(bian)(bian)(bian)剛(gang)度(du)多(duo)軸柔性補(bu)償器(qi)（圖2A）。這種(zhong)補(bu)償器(qi)可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)通(tong)過變(bian)(bian)(bian)形(xing)為機械臂提(ti)供位置(zhi)(zhi)和(he)角度(du)誤差補(bu)償，從(cong)而避免在復雜(za)操(cao)作(zuo)環境中由于磕(ke)碰損壞電(dian)機和(he)設備(bei)。此(ci)外當(dang)關節變(bian)(bian)(bian)形(xing)達(da)到(dao)預設幅(fu)度(du)時還可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)(yi)觸發(fa)(fa)(fa)補(bu)償器(qi)減(jian)小剛(gang)度(du)以(yi)(yi)(yi)進一步增(zeng)加補(bu)償量。與當(dang)前(qian)最先進的(de)商業補(bu)償單元相比（可(ke)(ke)(ke)彎曲1°），研究組開發(fa)(fa)(fa)的(de)裝置(zhi)(zhi)提(ti)供了(le)(le)大得多(duo)的(de)彎曲補(bu)償（可(ke)(ke)(ke)彎曲16.5°）。此(ci)外，研究組還基于這種(zhong)材料開發(fa)(fa)(fa)了(le)(le)一種(zhong)可(ke)(ke)(ke)重復使用(yong)的(de)限流(liu)低(di)溫保險(xian)(xian)絲(si)（圖2B）。當(dang)達(da)到(dao)預設的(de)熔(rong)斷(duan)電(dian)流(liu)后，保險(xian)(xian)絲(si)的(de)電(dian)阻可(ke)(ke)(ke)在0.1秒內增(zeng)加1000倍以(yi)(yi)(yi)切(qie)斷(duan)電(dian)路(lu)，并在10秒內恢(hui)復至可(ke)(ke)(ke)用(yong)狀態。與商用(yong)可(ke)(ke)(ke)復用(yong)保險(xian)(xian)絲(si)相比，它具有更(geng)緊湊的(de)結構（<1mm），更(geng)低(di)的(de)熔(rong)斷(duan)溫度(du)（65℃），以(yi)(yi)(yi)及更(geng)快的(de)熔(rong)斷(duan)和(he)恢(hui)復速度(du)。這種(zhong)可(ke)(ke)(ke)響應(ying)環境變(bian)(bian)(bian)化的(de)智能材料實現了(le)(le)可(ke)(ke)(ke)調節電(dian)氣(qi)和(he)機械性能的(de)協(xie)同利用(yong)，充分展現了(le)(le)它為下(xia)一代軟體機器(qi)人和(he)電(dian)子(zi)設備(bei)帶來革命性改變(bian)(bian)(bian)的(de)潛力。
中(zhong)國(guo)科(ke)學(xue)技術(shu)大(da)(da)學(xue)工程科(ke)學(xue)學(xue)院博(bo)士后贠國(guo)霖為論(lun)文的(de)(de)第一作(zuo)者。中(zhong)國(guo)科(ke)學(xue)技術(shu)大(da)(da)學(xue)張(zhang)世(shi)武教授，英國(guo)伯明翰大(da)(da)學(xue)唐詩楊(yang)副教授和澳大(da)(da)利(li)亞(ya)伍(wu)倫貢大(da)(da)學(xue)的(de)(de)李衛華(hua)教授為論(lun)文的(de)(de)共(gong)同通(tong)訊(xun)作(zuo)者，合作(zuo)者還包括英國(guo)劍橋大(da)(da)學(xue)的(de)(de)TawfiqueHasan教授。該研究得到了國(guo)家自然基(ji)金委(wei)項目資助(zhu)。
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