存储能量是以前的六倍,高能形状记忆聚合物为机器人打造有力肌肉

Frontier 9月 09, 2021 1.37w 浏览 0

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。

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。

该研究由美国国防部、国家科学基金会和美国能源部资助。

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