一个国际研究小组由宾夕法尼亚州立大学的科学家们已经开发出一种新型的聚合物,他们说可以作为人工肌肉在医疗设备和先进的机器人。一篇研究论文描述这种新材料的合成和测试最近发表在《华尔街日报》自然材料。
构建一个高性能的传动装置
让一个机器人移动,您需要一个执行机构。致动器可以是任何类型的设备或材料,将能量转换成物理运动。自机械应变-多少材料变形时应用力为执行机构——是一个重要的特征,这部分一般是由非常严格的材料。但在争取更大的灵活性和环境适应性,研究人员也开始调查是否柔软材料也可以使用。
“可能我们现在可以有一种柔软的机器人,我们称之为人工肌肉,”说王庆宾夕法尼亚州立大学教授材料科学与工程研究和共同通讯作者。“这将使我们能够有软物质,可以携带高负载除了很大的压力。所以材料将被更多的模仿人类的肌肉,接近人类肌肉。”
铁电材料是最有前途的材料之一,目前正在研究新的执行机构的设计。他们有一个独特的财产,他们自发极化,使材料的一端带正电,另一个带负电,在某种程度上可以反向电场时。发生在这些材料的应变转换会导致材料改变形状,将电能转换为机械能,使其潜在的有用的致动器应用程序。
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免费订阅陶瓷铁电致动器已经被报道。但铁电聚合物更便宜、更轻和更灵活的——所有重要特征如果材料用于机器人。他们还发挥更高的electric-field-induced应变与陶瓷同行相比。然而,他们也产生相对少的力量,这已严重限制了它们的实际应用。
纳米粒子使铁电肌肉成为现实
在这个新的研究中,宾夕法尼亚州立大学的研究人员着手设计一个新类复合铁电聚合物能够克服这些电流限制。
“在本研究中我们提出解决的软材料驱动领域的两大挑战,”王说。“一个是如何提高软材料的力。我们知道软驱动材料,聚合物有最大的压力,但他们比压电陶瓷产生更少的力量。”
第二个挑战是,铁电聚合物驱动器通常需要一个非常高的驾驶领域——最初的力量,触发了应变和形状变化——以函数。
由研究人员开发的解决方案是创建percolative铁电聚合物纳米复合材料——一种微观标签附着在聚合物。
分配功能纳米粒子的聚合物有效地创建一个网络聚合物内的两极。在测试中,研究人员发现,这个网络使铁电相变被比一个较弱的电场诱导铁电聚合物通常需要。事实上,使用电阻加热-一个过程,通过电流通过导体产生的热量——研究人员可能诱发相变使用不到10%的电场强度通常是必需的。
“通常,这一毒株和力量在铁电材料是相互关联,在成反比关系,”王说。“现在我们可以一起融入一个材料,我们开发了一种新方法使用电阻加热驱动它。自驾车要低得多,不到10%,这就是为什么这种新材料可用于许多应用程序需要有效的低驱动领域,如医疗设备、光学设备和软机器人”。
参考:周刘Y, Y,秦H, et al .电热驱动在percolative铁电聚合物纳米复合材料。Nat板牙。2023;22 (7):873 - 879。doi:10.1038 / s41563 - 023 - 01564 - 7
这篇文章是一个返工的新闻稿宾州州立大学颁发。材料已经编辑的长度和内容。
