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存储能量是以前的6倍,高能形状记忆聚合物为机器人打造有力肌肉
2021-09-09 16:09
来源:科技日报
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  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。

   

    由拉伸形状记忆聚合物制成的人造肌肉,在加热时收缩并弯曲人体模型的手臂。 

  图源:《美国化学会中心科学》 

    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。

 

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