新型鐵電材料可變身機器人“肌肉”

美國科學家領導的一個國際研究小組表示，他們研制出的一種新型鐵電聚合物，能高效地將電能轉化為機械應變，有望成為一種高性能的運動控制器（致動器），在醫療設備、先進機器人和精密定位系統中大顯身手，例如作為機器人的“肌肉”等。相關研究論文發表于最近的《自然·材料》雜志。

PVDF/TiO2的結構分析和相場模擬。圖片來源：《自然·材料》雜志

鐵電材料是一類在施加外部電荷時表現出自發電極化的材料。在相變過程中，這些材料中的機械應變可以使其形狀等特征發生變化，因此這種材料可用作致動器。致動器指在外力（如電能）作用下能變形的材料。

一般而言，這些致動器很堅硬，但鐵電聚合物等軟致動器具有更高的靈活性和環境適應性。聚合物是一類由許多相似單元結合在一起形成的材料，DNA和尼龍都是聚合物，鐵電聚合物的機械應變比陶瓷等其他鐵電材料高得多。此外，鐵電聚合物還更柔韌、成本更低、質量更輕，因此在軟機器人和柔性電子產品等領域更有前景。

研究團隊指出，目前軟材料致動領域面臨兩大挑戰：提高軟材料的受力以及降低驅動場。為此，他們開發出了一種滲透性鐵電聚合物納米復合物PVDF/TiO2，這是一種附著在聚合物上的微型貼膜。通過將納米顆粒摻入聚合物聚偏二氟乙烯內，研究人員在聚合物內創造了一個相互連接的極網絡，使鐵電聚合物的相變能在比通常所需低得多（10%）的電場下被誘導，因此可用于醫療設備、光學設備和軟機器人等需要低驅動場的領域。

研究人員指出，最新研究讓人們為軟機器人開發“人工肌肉”成為可能，這種新材料更接近人類肌肉，除能承受大的應變外，還能承受高負荷。