人工肌肉首次弯曲：铁电聚合物在机器人领域的创新
据宾夕法尼亚州立大学领导的一个国际研究小组称，一种新型铁电聚合物特别善于将电能转化为机械应变，有望成为高性能运动控制器或"致动器"，在医疗设备、先进机器人技术和精密定位系统中具有巨大的应用潜力。
图为由焦耳加热驱动的铁电聚合物的驱动力
机械应变，即材料在受力时如何改变形状，是执行器的一个重要属性，执行器是指在施加电能等外力时将改变或变形的任何材料。传统上，这些执行器材料是刚性的，但软性执行器，如铁电聚合物，显示出更高的灵活性和环境适应性。
研究表明，铁电聚合物纳米复合材料有可能克服传统压电聚合物复合材料的局限性，为开发具有更强应变性能和机械能量密度的软执行器提供了一条有希望的途径。由于软执行器的强度、功率和灵活性，机器人研究人员对其特别感兴趣。
宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系教授、最近发表在《自然-材料》杂志上的研究报告的共同通讯作者Qing Wang说："我们现在有可能拥有一种软体机器人，我们称之为人工肌肉。这将使我们能够拥有软性物质，除了大的应变外，还能承载高负荷。因此，这种材料就会更多地模仿人类肌肉，一种接近人类肌肉的材料。"
然而，在这些材料能够实现其承诺之前，还有一些障碍需要克服，研究报告中提出了解决这些障碍的潜在方案。铁电体是一类材料，当施加外部电荷，材料中的正负电荷走向不同的极点时，会表现出自发的电极化。这些材料在相变过程中的应变，在这种情况下，将电能转换为机械能，可以完全改变其形状等属性，使其成为有用的执行器。
铁电致动器的一个常见应用是喷墨打印机，电荷改变致动器的形状，以精确控制在纸上沉积墨水的微小喷嘴，形成文字和图像。
虽然许多铁电材料是陶瓷，但它们也可以是聚合物，这是一类由许多类似单元粘合在一起的天然和合成材料。例如，DNA是一种聚合物，尼龙也是如此。铁电聚合物的一个优点是它们表现出驱动所需的大量电场诱导的应变。这种应变远远高于其他用于执行器的铁电材料所产生的应变，如陶瓷。
铁电材料的这一特性，以及高度的灵活性、与其他铁电材料相比成本的降低和低重量，对日益增长的软体机器人领域的研究人员有着极大的兴趣，软体机器人是指具有柔性部件和电子器件的机器人设计。
Wang说："在这项研究中，我们为软材料驱动领域的两个主要挑战提出了解决方案。一个是如何提高软材料的力。我们知道作为聚合物的软驱动材料具有最大的应变能力，但与压电陶瓷相比，它们产生的力要小得多。"
第二个挑战是，铁电聚合物致动器通常需要一个非常高的驱动场，这是一个在系统中施加变化的力，例如致动器的形状变化。在这种情况下，高驱动场对于在聚合物中产生成为致动器所需的铁电反应的形状变化是必要的。
为改善铁电聚合物的性能而提出的解决方案是开发一种渗流式铁电聚合物纳米复合材料--一种附着在聚合物上的微观贴纸。通过将纳米颗粒纳入一种聚合物--聚偏二氟乙烯，研究人员在聚合物内创建了一个相互连接的极点网络。
这个网络使铁电相变能够在比通常所需的低得多的电场下被诱导出来。这是通过使用焦耳加热的电热方法实现的，当电流通过导体时，会产生热量。使用焦耳加热来诱导纳米复合聚合物的相变，结果只需要不到铁电相变通常需要的电场强度的10%。
通常情况下，铁电材料中的这种应变和力是相互关联的，呈反比关系。现在研究人员可以把它们整合到一种材料中，利用焦耳加热来驱动它。由于驱动场要低得多，不到10%，这就是为什么这种新材料可以用于许多需要低驱动场才能有效的应用，如医疗设备、光学设备和软机器人。
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