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高能形状记忆聚合物可帮助机器人伸缩肌肉

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cnBeta.COM 2021-09-28

  据外媒报道,当被拉伸或变形时,形状记忆聚合物在加热或光照后会恢复到原来的形状。这些材料在软体机器人、智能生物医学设备和可展开的空间结构方面显示出了巨大的发展前景,但直到现在它们还不能存储足够的能量。

  现在,研究人员在《ACS Central Science》上发表报告称,他们已经开发出了一种形状记忆聚合物,其存储的能量几乎是以往版本的6倍。

  形状记忆聚合物在原始的未变形状态和次级的变形状态之间交替。这种变形状态是通过拉伸聚合物而产生的,另外通过分子变化如动态键合网络或应变诱导的结晶保持在适当的位置,这些变化在热或光的作用下会被逆转。然后聚合物通过释放储存的熵能返回到它的初始状态。但对科学家来说,让这些聚合物执行能量密集型任务一直是一个挑战。Zhenan Bao和他的同事想要开发一种新型的形状记忆聚合物,这种聚合物可以伸展到一种稳定的、高度伸长的状态并让它在返回到原始状态时释放出大量的能量。

  研究人员将4-、4 ' -methylene bisphenylurea单元引入到聚酯(丙二醇)聚合物主链中。在聚合物的初始状态下,聚合物链是杂乱无序的。拉伸导致链发生排列并在尿素基团之间形成氢键,进而形成稳定高度伸长状态的超分子结构。加热则会导致化学键发生断裂,聚合物则会收缩到最初的无序状态。

  在测试中,该聚合物可拉伸至原来长度的5倍,其可存储17.9 J/g的能量,几乎是之前形状记忆聚合物的6倍。该团队证明,这种拉伸材料可以利用这种能量,在加热的情况下举起自身重量5000倍的物体。他们还将预先拉伸的聚合物固定在木制人体模型的上臂和下臂上从而制成了人造肌肉。当被加热时,这种材料会收缩,这使得人体模型在肘部弯曲手臂。研究人员表示,除了它创纪录的能量密度之外,这种形状记忆聚合物还很便宜(原材料成本约为每磅11美元)且容易制造。

责任编辑:刘鑫嵘

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