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中國科學技術大學等 開發出自響應可變機電性能材料
文章來源:中國科學報     更新時間:2023-02-06 16:42:23
本報訊(見習記者王敏)中國科學技術大學工程科學學院機器人與智能裝備研究所教授張世武團隊與英國和澳洲合作者組成的聯合研究組,開發出一種可以響應外界機械載荷和電信號變化從而自主調節機械剛度、電導率和靈敏度的新型復合材料。相關研究成果日前發表于《科學進展》。

聯合研究組開發出一種由鎳微米顆粒、低熔點菲爾德合金(FM)和聚合物基體組成的復合導電彈性體。這種材料的電導率在包括壓縮、拉伸、扭轉、彎曲在內的機械載荷下指數增強超過1000萬倍。當材料被加熱至60℃以上時,其中的FM顆粒熔化。熔化的FM液滴不能像固體FM顆粒一樣互相接觸以形成導電路徑,而是在載荷下隨聚合物基質變形,顯著降低了材料的彈性模量、導電性和應變靈敏度。由于材料在變形時電阻顯著降低,由3V電壓供電的復合材料可以在特定壓力下被加熱以熔化FM顆粒,從而實現剛度和電阻的自觸發協調增效調節。

通過將這種材料的可調節電阻/剛度特性相結合,研究組開發出一種可用于機械臂關節的可變剛度多軸柔性補償器。這種補償器可以通過變形為機械臂提供位置和角度誤差補償,從而避免在復雜操作環境中由于磕碰損壞電機和設備。此外當關節變形達到預設幅度時還可以觸發補償器減小剛度以進一步增加補償量。

研究組還基于這種材料開發出一種可重復使用的限流低溫保險絲。當達到預設的熔斷電流后,保險絲的電阻可在0.1秒內增加1000倍以切斷電路,并在10秒內恢復至可用狀態。與商用可復用保險絲相比,它具有更緊湊的結構、更低的熔斷溫度及更快的熔斷和恢復速度。

研究人員認為,這種可響應環境變化的智能材料實現了可調節電氣和機械性能的協同利用,充分展現了為下一代軟體機器人和電子設備帶來革命性改變的潛力。

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