新型磁性聚合物使軟機器人中的人造肌肉更堅固、更靈活
儘管具有非凡的靈活性，當今的軟人造肌肉仍難以提供有意義的力量。這限制了它們在現實機器中的使用，儘管它們可以以剛性電機無法做到的方式彎曲、拉伸和扭曲。它們有望用於在狹小空間內操作的機器人、隨身體自然移動的可穿戴系統以及對活體組織足夠溫和的手術工具——但它們的分子柔軟性仍然使它們變得脆弱。工程師解決這一瓶頸的一種方法是通過工作密度——執行器每單位體積可以提供的機械能，以每立方米千焦耳表示。實際上，它反映了材料對其尺寸可以做的推、拉或舉的程度。軟聚合物很容易拉伸，但產生的力很小，而較硬的聚合物會產生力，但幾乎不會移動。超越人造肌肉性能的關鍵障礙 多年來，每一種主要的人造肌肉技術都遇到了同樣的問題：它要么可以拉伸很多，要么可以產生強大的力量，但不能兩者兼而有之。介電彈性體的拉伸範圍很廣，但需要高電壓並且仍然很弱。碳納米管紗線很輕，但升力很小。液晶彈性體移動優雅，但提供適度的能量。即使是天然肌肉也只結合了中等應變和低工作密度。現在，韓國蔚山國立科學技術研究院的研究人員打破了這一模式。 Nanowerk 寫道，他們的雙交聯磁性聚合物致動器實現了 1,150 kJ m⁻³ 的工作密度和 86.4% 的致動應變，為軟人造肌肉設定了新的性能基準。這種新材料結合了極高的靈活性和卓越的強度。在斷裂之前，它可以拉伸到原來長度的十二倍以上，並從柔軟的橡膠狀狀態轉變為剛性的塑料狀狀態——硬度改變了千倍以上。這一突破來自於智能分子設計，該設計讓同一種聚合物同時具有橡膠和塑料的性能。在材料內部，兩種類型的鏈接將網絡連接在一起。新型聚合物執行器按需存儲和釋放能量 這種材料之所以特別強大，是因為它能夠以兩種不同的模式工作。當加熱到約 99°F 以上時，聚合物會軟化，從而允許磁場拉伸、彎曲或扭曲它。關閉磁場讓它彈回來。冷卻到約 80°F 以下，然後將新形狀鎖定到位並儲存能量。重新加熱會釋放儲存的能量，導致執行器收縮並執行有用的工作。通過測試，團隊找到了使用約 0.39 盎司磁性顆粒和少量交聯劑的最佳配方。在此比率下，執行器達到 86.4% 的應變，並且創紀錄的工作密度約為每立方英尺 33,000 英尺磅。它恢復了近 100% 的形狀，在 300 次循環後保持了 87% 以上的性能，並且仍然可以承受超過自身重量 4,000 倍的重量。其功率輸出達到每噸約0.54馬力，可與當今最好的人造肌肉相媲美。機器人測試表明該材料可以在真實機器中工作。在軟狀態下，執行器會磁性地夾緊物體。然後，聚焦激光將其加熱，使其收縮並舉起約 2.7 至 4.1 盎司的重量，形狀恢復率在 39% 至 52% 之間。與其他技術相比，該執行器的運行性能範圍是前所未有的——水凝膠可以拉伸 40% 至 65%，但保持在每立方英尺約 11,800 英尺磅以下。
已发布: 2026-01-25 03:36:00
