高能形狀記憶聚合物為機器人打造有力肌肉

科技日報北京9月8日電 （記者張夢然）拉伸或變形的形狀記憶聚合物在加熱或光照後，會恢復到原來的形狀，這些材料已在柔性機器人、智能生物醫學設備、可展開空間結構等方面展現出巨大潛力。

但是目前，它們儲存的能量還不能滿足需求。據《美國化學會中心科學》期刊8日報道，研究人員現已開發出一種形狀記憶聚合物，其存儲的能量幾乎是以前版本的6倍。

形狀記憶聚合物可在原始未變形狀態和二次變形狀態之間交替。變形狀態通過拉伸聚合物形成，並通過分子變化保持在適當的位置，例如動態鍵合網絡或應變誘導結晶，這些變化可通過熱或光逆轉，聚合物通過釋放存儲的熵能恢復到其原始狀態。但這需要聚合物儲存大量能源。於是，研究人員想要開發一種新型形狀記憶聚合物，可以拉伸成穩定的、高度拉長的狀態，使其在恢復到原始狀態時釋放大量能量。

美國斯坦福大學科學家領導的研究團隊此次將4,4’-亞甲基雙（苯基脲）單元結合到丙二醇聚合物骨架中。在原始狀態下，聚合物鏈是纏結和無序的。拉伸導致鏈對齊並在尿素基團之間形成氫鍵，從而產生穩定的高度伸長狀態的超分子結構。加熱會導致鍵斷裂，聚合物收縮至其初始無序狀態。

在測試中，該聚合物可拉伸至其原始長度的5倍，並儲存高達17.9焦/克的能量——幾乎是之前形狀記憶聚合物的6倍。研究團隊證明，拉伸後的材料可利用這種能量在加熱時舉起自身重量5000倍的物體。

研究人員還將預拉伸的聚合物連接到木製人體模型的上臂和下臂，用作人造肌肉。加熱時，材料收縮導致人體模型在肘部彎曲手臂。研究人員表示，除了創紀錄的高能量密度外，形狀記憶聚合物價格也很便宜，原材料成本約為每磅11美元，且易於製造。

總編輯圈點

讓機器人更靈敏，使人造皮膚更貼合，讓假肢兼具力量和觸覺……這些看似大不相同的理念，背後都昭示着一個材料行業的巨大改變，那就是：它們將不再剛硬。形狀記憶聚合物將是有力量的、可拉伸的、可生物降解的，甚至可自我修復的。巨大的屏幕也可以疊進衣兜；一層人造皮膚或許就能像手機一樣實現人類溝通交流；殘疾人的假肢也將擁有温暖、順滑、細膩的觸感……這種高能材料現在看起來很高冷，但在未來，它將滲透到生活的每一處。