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記者專欄
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高能形狀記憶聚合物為機器人打造有力肌肉

2021-09-09 06:26 來源:科技日報

  科技日報北京9月8日電 (記者張夢然)拉伸或變形的形狀記憶聚合物在加熱或光照后,會恢復(fù)到原來的形狀,這些材料已在柔性機器人、智能生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、可展開空間結(jié)構(gòu)等方面展現(xiàn)出巨大潛力。

  但是目前,它們儲存的能量還不能滿足需求。據(jù)《美國化學(xué)會中心科學(xué)》期刊8日報道,研究人員現(xiàn)已開發(fā)出一種形狀記憶聚合物,其存儲的能量幾乎是以前版本的6倍。

  形狀記憶聚合物可在原始未變形狀態(tài)和二次變形狀態(tài)之間交替。變形狀態(tài)通過拉伸聚合物形成,并通過分子變化保持在適當(dāng)?shù)奈恢茫鐒討B(tài)鍵合網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶,這些變化可通過熱或光逆轉(zhuǎn),聚合物通過釋放存儲的熵能恢復(fù)到其原始狀態(tài)。但這需要聚合物儲存大量能源。于是,研究人員想要開發(fā)一種新型形狀記憶聚合物,可以拉伸成穩(wěn)定的、高度拉長的狀態(tài),使其在恢復(fù)到原始狀態(tài)時釋放大量能量。

  美國斯坦福大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊此次將4,4'-亞甲基雙(苯基脲)單元結(jié)合到丙二醇聚合物骨架中。在原始狀態(tài)下,聚合物鏈?zhǔn)抢p結(jié)和無序的。拉伸導(dǎo)致鏈對齊并在尿素基團之間形成氫鍵,從而產(chǎn)生穩(wěn)定的高度伸長狀態(tài)的超分子結(jié)構(gòu)。加熱會導(dǎo)致鍵斷裂,聚合物收縮至其初始無序狀態(tài)。

  在測試中,該聚合物可拉伸至其原始長度的5倍,并儲存高達17.9焦/克的能量——幾乎是之前形狀記憶聚合物的6倍。研究團隊證明,拉伸后的材料可利用這種能量在加熱時舉起自身重量5000倍的物體。

  研究人員還將預(yù)拉伸的聚合物連接到木制人體模型的上臂和下臂,用作人造肌肉。加熱時,材料收縮導(dǎo)致人體模型在肘部彎曲手臂。研究人員表示,除了創(chuàng)紀(jì)錄的高能量密度外,形狀記憶聚合物價格也很便宜,原材料成本約為每磅11美元,且易于制造。

  總編輯圈點

  讓機器人更靈敏,使人造皮膚更貼合,讓假肢兼具力量和觸覺……這些看似大不相同的理念,背后都昭示著一個材料行業(yè)的巨大改變,那就是:它們將不再剛硬。形狀記憶聚合物將是有力量的、可拉伸的、可生物降解的,甚至可自我修復(fù)的。巨大的屏幕也可以疊進衣兜;一層人造皮膚或許就能像手機一樣實現(xiàn)人類溝通交流;殘疾人的假肢也將擁有溫暖、順滑、細膩的觸感……這種高能材料現(xiàn)在看起來很高冷,但在未來,它將滲透到生活的每一處。

(責(zé)任編輯:歐云海)

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2021-09-09 06:26 來源:科技日報
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