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中國科學技術大學工程科學學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合研究組，成功開發了一種可以響應外界機械載荷和電信號變化從而自主調節機械剛度、電導率和靈敏度的新型復合材料。該成果以“Electro-mechano responsive elastomers with self-tunable conductivity and stiffness”為題于2023年1月25日發表在Science Advances上（DOI: 10.1126/sciadv.adf1141）
傳統材料的電導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用場景，例如軟體機器人, 醫療手術設備和可重構電子器件，需要一種可根據環境變化主動調節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，復合材料可以實現軟/硬和導電/絕緣之間的切換。然而，現有的此類材料往往需要外部控制裝置來調節溫度，不能自主響應壓力或變形等環境變化。此外，這些材料只能在絕緣體和導體間切換而不能實現電阻的連續調節。
圖1 | FMHE的(A)微觀結構和(B)電學性能
為填補這一研究空缺，聯合研究組開發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合導電彈性體（FMHE）。歸功于不規則鎳顆粒和FM顆粒形成的多填料導電網絡（圖1A），這種材料的電導率可在包括壓縮、拉伸、扭轉、彎曲在內的機械載荷下指數增強超過一千萬倍。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電路徑，而是在載荷下隨聚合物基質變形。這顯著降低了材料的彈性模量，導電性和應變靈敏度 （圖1B）。由于材料在變形時電阻顯著降低，由3V電壓供電的復合材料可以在特定壓力下被加熱以融化FM顆粒，從而實現剛度和電阻的自觸發協調增效調節。
圖2 | 基于FMHE開發的(A)變剛度補償器和(B)可復用保險絲
通過將這種材料的可調節電阻/剛度特性相結合，研究組開發了一種可用于機械臂關節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，從而避免在復雜操作環境中由于磕碰損壞電機和設備。此外當關節變形達到預設幅度時還可以觸發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補償單元相比（可彎曲1°），研究組開發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了一種可重復使用的限流低溫保險絲（圖2B）。當達到預設的熔斷電流后，保險絲的電阻可在0.1秒內增加1000倍以切斷電路，并在10秒內恢復至可用狀態。與商用可復用保險絲相比，它具有更緊湊的結構（<1 mm），更低的熔斷溫度（65℃），以及更快的熔斷和恢復速度。這種可響應環境變化的智能材料實現了可調節電氣和機械性能的協同利用，充分展現了它為下一代軟體機器人和電子設備帶來革命性改變的潛力。
中國科學技術大學工程科學學院博士后贠國霖為論文的第一作者。中國科學技術大學張世武教授，英國伯明翰大學唐詩楊副教授和澳大利亞伍倫貢大學的李衛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的Tawfique Hasan教授。該研究得到了國家自然基金委項目資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf1141
（來源：中國科大新聞網）
