碳納米管薄膜基人工肌肉致動器研究獲進展
2012-02-02 來源：中國聚合物網
自上世紀90年代初被發現以來，碳納米管一直是科學家研究的熱點，其優異的力學、電學性能不斷被挖掘。記者日前從中國科學院物理研究所獲悉，該所北京凝聚態物理國家實驗室（籌）的研究人員在碳納米管薄膜基人工肌肉致動器方面取得了新進展。
據介紹，凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室“納米材料與介觀物理”研究小組一直致力于各種納米材料的研究。他們制備出了宏觀尺度的碳納米管薄膜及纖維，并利用這種連續的力電傳遞載體制備了高性能的新型碳納米管復合纖維、復合薄膜及卷繞式電化學超級電容器。最近，在這些工作的基礎上，中科院院士解思深指導的博士生李金柱等人對碳納米管薄膜基人工肌肉致動器進行了研究。
很多材料在光、電、熱、磁等作用下會產生彎曲、伸縮等類似自然肌肉的力學形變，被稱為智能材料或人工肌肉，可廣泛用于仿生機器人、開關、傳感器等。傳統的智能材料包括壓電陶瓷材料、記憶合金等，很多新型的聚合物材料也有類似的性能，但卻擁有更小的密度、更低的價格。
其中，離子型電致動聚合物是一種能將電能直接轉化成機械能的材料，包括導電聚合物、碳納米管、離子聚合物凝膠等。其工作電壓通常只有幾個伏特，這使得它們成為輕質仿生系統運動部件的首選材料。
但是離子遷移通常要在溶液中進行，并且需要克服阻力做功，所以使得這種電致動器件響應較慢（秒至分鐘）、頻率使用范圍很窄（通常小于1赫茲）、力學輸出能力也相對較弱。
針對這些難題，物理所的研究人員采用連續的碳納米管薄膜作為電極層及力學增強體，用灌注了離子液體的天然聚合物凝膠作為電解質層，熱壓組裝成三明治結構的電致動聚合物器件。對這樣的懸臂梁式器件兩電極層間施加一個交流電場，它就會發生快速的往復擺動。
據介紹，與之前的離子型聚合物致動器相比，這種新型致動器可以長期穩定地在空氣環境中工作，其電力學性能也有一到兩個數量級的進步，如18毫秒的超快的電力學響應、幾十至上百赫茲的相當寬的頻率使用范圍以及驚人的力學輸出能力。
研究人員介紹說，如此顯著的性能提高，不僅因為碳納米管與選用的聚合物材料及離子液體有良好的生物相溶性，還來源于碳管薄膜電極的高電導及其優異力學性能對整個器件力學性能的提高和調制。這種新型的電致動器件可以在很寬的頻率內使用，如低頻下工作的夾持裝置或機器人手臂的彎曲構件，或高頻共振頻率下工作的輕型仿生飛行機器人的動力系統或仿生飛行昆蟲的翅膀。
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（責任編輯：佳）
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