新型铁电材料可以赋予机器人肌肉

一种新型铁电聚合物非常擅长将电能转化为机械应变，有望成为高性能运动控制器或“执行器”，在医疗设备、先进机器人和精密仪器领域具有巨大的应用潜力宾夕法尼亚州立大学领导的一个国际研究小组表示，定位系统。

机械应变，即材料在受力时如何改变形状，是致动器的一个重要属性，致动器是在施加外力(例如电能)时会发生变化或变形的任何材料。传统上，这些执行器材料是刚性的，但铁电聚合物等软执行器表现出更高的灵活性和环境适应性。

该研究证明了铁电聚合物纳米复合材料克服传统压电聚合物复合材料局限性的潜力，为开发具有增强应变性能和机械能密度的软执行器提供了一条有前途的途径。软执行器因其强度、功率和灵活性而特别受到机器人研究人员的关注。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授、最近发表在《自然材料》上的这项研究的共同通讯作者清王说：“我们现在有可能拥有一种我们称之为人造肌肉的软机器人。 ” “这将使我们能够拥有除了大应变之外还可以承载高负载的软物质。因此，这种材料将更像是人类肌肉的模仿者，一种接近人类肌肉的材料。”

然而，在这些材料实现其承诺之前，还有一些障碍需要克服，研究中提出了这些障碍的潜在解决方案。铁电体是一类材料，当施加外部电荷并且材料中的正电荷和负电荷流向不同的极时，它们表现出自发电极化。这些材料在相变过程中的应变(在这种情况下是电能向机械能的转换)可以完全改变其形状等特性，使它们可用作执行器。

铁电致动器的常见应用是喷墨打印机，其中电荷改变致动器的形状，以精确控制将墨水沉积在纸张上以形成文本和图像的微小喷嘴。

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制成的天然和合成材料。例如，DNA 是聚合物，尼龙也是聚合物。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感应应变。该应变远高于用于执行器的其他铁电材料(例如陶瓷)产生的应变。

铁电材料的这种特性，以及高水平的灵活性、与其他铁电材料相比降低的成本以及低重量，引起了不断发展的软机器人领域、具有柔性部件和电子设备的机器人设计领域的研究人员的极大兴趣。

王说：“在这项研究中，我们针对软材料驱动领域的两大挑战提出了解决方案。其中一个是如何提高软材料的力。我们知道聚合物软驱动材料具有最大的应变，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非常高的驱动场，这是一种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，需要高驱动场才能在聚合物中产生形状变化，这是成为致动器所需的铁电反应所需的。

提高铁电聚合物性能的解决方案是开发一种渗透性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。通过将纳米粒子掺入一种聚合物聚偏二氟乙烯中，研究人员在聚合物内创建了一个互连的磁极网络。

该网络使得能够在比通常需要的低得多的电场下引发铁电相变。这是通过使用焦耳加热的电热方法实现的，当电流通过导体产生热量时就会发生焦耳加热。使用焦耳热诱导纳米复合聚合物发生相变，只需要铁电相变通常所需电场强度的 10% 以下。

“通常情况下，铁电材料中的应变和力是相互关联的，呈反比关系，”王说。“现在我们可以将它们集成到一种材料中，并且我们开发了一种使用焦耳热来驱动它的新方法。由于驱动场将低得多，低于 10%，这就是为什么这种新材料可用于许多需要低驱动场才能有效的应用，例如医疗设备、光学设备和软机器人。”

与王一起参与这项研究的其他研究人员包括宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程博士后学者周耀 (Yao Zhou);杨天南，材料研究所助理研究员;陈鑫，材料科学与工程博士后研究员;李莉，材料科学与工程研究助理;韩祝兵，材料科学与工程研究生助理;王科，材料研究所副研究员;陈龙庆，哈默材料科学与工程教授。参与这项研究的其他研究人员包括来自北卡罗来纳州立大学的物理学研究生助理秦汉成;张冰，物理学研究生;陆文昌，物理学研究教授;和杰里·伯恩霍尔克(Jerry Bernholc)，德雷克塞尔物理学教授。