美开发出新型自愈材料可研制人造肌肉 改进电池和机器人性能

新材料能制成具有自愈功能的透明人造肌肉。

图片来源:加州大学河滨分校

25日出版的《先进材料》杂志在一篇论文中,介绍了加州大学河滨分校科学家汪超(音译)与同行联合开发的一种拥有自愈能力的透明、高延展性导离子材料。这种材料可赋予机器人发生机械故障后的自愈能力、延长电动汽车及锂离子电池使用寿命,以及改善医学和环境监控领域中生物传感器性能等,应用潜力广泛。

新研究首次将自愈性材料与离子导体“合二为一”。自愈材料能自动修复使用造成的损耗、延长使用寿命并降低成本;而能让离子在其内流动的离子导体,在能源储存、太阳能转换、传感器和电子设备中扮演着重要角色。汪超表示:“研发集多种优越性能于一身的材料是科学界多年未解的难题,现在我们成功做到并已着手开发其相关应用。”

论文联合作者、科罗拉多大学博尔德分校副教授克里斯托弗·开普林格之前研制的离子导体,能为人造肌肉供能并用其制成透明扬声器,但出现机械故障后不能自我治愈。不能自愈的原因在于,这些聚合物内含的共价键在电化学环境下会发生反应,降低材料的性能。汪超利用离子偶极作用,让带电离子与极性分子之间耦合,从而大大提高了离子导体的稳定性,最终研制出集多种优越性能于一身的新型自愈材料。

这种橡胶类柔软材料成本低、易生产,能延展到初始长度的50倍。当剪断后,在室温下24小时内即能重新连接起来(自愈),且自愈后仅5分钟就能再次延展两倍。

汪超团队还利用新材料开发出新型人造肌肉。这种人造肌肉由三层材料堆积而成,上下两层是能导电和自愈的新材料,中间层是透明的非导电橡胶类薄膜。他们施加电信号发现,人造肌肉能像人类二头肌一样开始活动;更重要的是,当其断裂成两段后,不依靠任何外来刺激就能恢复到与切断前相同的性能水平。