高能形狀記憶聚合物，打造機器人有力“肌肉”

文|陳根

形狀記憶聚合物是一種刺激響應智能材料，在特定的外部刺激條件下可以根據預先設計的方式改變形狀。近年來，形狀記憶聚合物(SMP)的發展取得了明顯進步，其自身的優勢也得到了充分展示。

形狀記憶聚合物具有密度低、變形量大、驅動方式豐富、生物相容性好等一系列優勢，在航空航天、生物醫學、仿生工程、電子元件、智能機器人等領域有著巨大的應用前景。但是，其在能量的儲存方面還有較大提升空間。

近日，美國斯坦福大學的研究人員開發出一種形狀記憶聚合物，其存儲的能量幾乎是以往版本的6倍，相關成果發表在了《美國化學會中心科學》上。

通常情況下，形狀記憶聚合物的變形狀態通過拉伸聚合物形成，并通過分子變化保持在適當的位置，可以在原始未變形狀態和二次變形狀態之間交替。例如動態鍵合網絡或應變誘導結晶，聚合物通過釋放存儲的熵能恢復到原始狀態。在這一過程中，需要聚合物儲存大量能源。

于是，研究人員將4-、4 ' -methylene bisphenylurea單元引入到聚酯（丙二醇）聚合物主鏈中。在聚合物的初始狀態下，聚合物鏈是雜亂無序的。拉伸導致鏈發生排列并在尿素基團之間形成氫鍵，進而形成穩定高度伸長狀態的超分子結構。加熱會導致化學鍵發生斷裂，聚合物則會收縮到最初的無序狀態。

在測試中，該聚合物可拉伸至其原始長度的5倍，能夠儲存高達17.9焦/克的能量，這幾乎是之前形狀記憶聚合物的6倍。研究人員還將預拉伸的聚合物連接到木制人體模型的上臂和下臂，用作人造肌肉。

加熱時，材料收縮可以使人體模型在肘部彎曲手臂。拉伸后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。除此以外，該形狀記憶聚合物易于制造，價格也較為便宜，原材料成本約為每磅11美元。未來，其有望在眾多領域大展身手。