新型铁电材料可变身机器人“肌肉”

美国科学家领导的一个国际研究小组表示，他们研制出的一种新型铁电聚合物，能高效地将电能转化为机械应变，有望成为一种高性能的运动控制器（致动器），在医疗设备、先进机器人和精密定位系统中大显身手，例如作为机器人的“肌肉”等。相关研究论文发表于最近的《自然·材料》杂志。

PVDF/TiO2的结构分析和相场模拟。图片来源：《自然·材料》杂志

铁电材料是一类在施加外部电荷时表现出自发电极化的材料。在相变过程中，这些材料中的机械应变可以使其形状等特征发生变化，因此这种材料可用作致动器。致动器指在外力（如电能）作用下能变形的材料。

一般而言，这些致动器很坚硬，但铁电聚合物等软致动器具有更高的灵活性和环境适应性。聚合物是一类由许多相似单元结合在一起形成的材料，DNA和尼龙都是聚合物，铁电聚合物的机械应变比陶瓷等其他铁电材料高得多。此外，铁电聚合物还更柔韧、成本更低、质量更轻，因此在软机器人和柔性电子产品等领域更有前景。

研究团队指出，目前软材料致动领域面临两大挑战：提高软材料的受力以及降低驱动场。为此，他们开发出了一种渗透性铁电聚合物纳米复合物PVDF/TiO2，这是一种附着在聚合物上的微型贴膜。通过将纳米颗粒掺入聚合物聚偏二氟乙烯内，研究人员在聚合物内创造了一个相互连接的极网络，使铁电聚合物的相变能在比通常所需低得多（10%）的电场下被诱导，因此可用于医疗设备、光学设备和软机器人等需要低驱动场的领域。

研究人员指出，最新研究让人们为软机器人开发“人工肌肉”成为可能，这种新材料更接近人类肌肉，除能承受大的应变外，还能承受高负荷。