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碳纳米管薄膜基人工肌肉致动器研究获进展

导读: 自上世纪90年代初被发现以来,碳纳米管一直是科学家研究的热点,其优异的力学、电学性能不断被挖掘。记者日前从中国科学院物理研究所获悉,该所北京凝聚态物理国家实验室(筹)的研究人员在碳纳米管薄膜基人工肌肉致动器方面取得了新进展。

  自上世纪90年代初被发现以来,碳纳米管一直是科学家研究的热点,其优异的力学、电学性能不断被挖掘。记者日前从中国科学院物理研究所获悉,该所北京凝聚态物理国家实验室(筹)的研究人员在碳纳米管薄膜基人工肌肉致动器方面取得了新进展。

  据介绍,凝聚态物理国家实验室(筹)先进材料与结构分析实验室“纳米材料与介观物理”研究小组一直致力于各种纳米材料的研究。他们制备出了宏观尺度的碳纳米管薄膜及纤维,并利用这种连续的力电传递载体制备了高性能的新型碳纳米管复合纤维、复合薄膜及卷绕式电化学超级电容器。最近,在这些工作的基础上,中科院院士解思深指导的博士生李金柱等人对碳纳米管薄膜基人工肌肉致动器进行了研究。

  很多材料在光、电、热、磁等作用下会产生弯曲、伸缩等类似自然肌肉的力学形变,被称为智能材料或人工肌肉,可广泛用于仿生机器人、开关、传感器等。传统的智能材料包括压电陶瓷材料、记忆合金等,很多新型的聚合物材料也有类似的性能,但却拥有更小的密度、更低的价格。

  其中,离子型电致动聚合物是一种能将电能直接转化成机械能的材料,包括导电聚合物、碳纳米管、离子聚合物凝胶等。其工作电压通常只有几个伏特,这使得它们成为轻质仿生系统运动部件的首选材料。

  但是离子迁移通常要在溶液中进行,并且需要克服阻力做功,所以使得这种电致动器件响应较慢(秒至分钟)、频率使用范围很窄(通常小于1赫兹)、力学输出能力也相对较弱。

  针对这些难题,物理所的研究人员采用连续的碳纳米管薄膜作为电极层及力学增强体,用灌注了离子液体的天然聚合物凝胶作为电解质层,热压组装成三明治结构的电致动聚合物器件。对这样的悬臂梁式器件两电极层间施加一个交流电场,它就会发生快速的往复摆动。

  据介绍,与之前的离子型聚合物致动器相比,这种新型致动器可以长期稳定地在空气环境中工作,其电力学性能也有一到两个数量级的进步,如18毫秒的超快的电力学响应、几十至上百赫兹的相当宽的频率使用范围以及惊人的力学输出能力。

  研究人员介绍说,如此显著的性能提高,不仅因为碳纳米管与选用的聚合物材料及离子液体有良好的生物相溶性,还来源于碳管薄膜电极的高电导及其优异力学性能对整个器件力学性能的提高和调制。这种新型的电致动器件可以在很宽的频率内使用,如低频下工作的夹持装置或机器人手臂的弯曲构件,或高频共振频率下工作的轻型仿生飞行机器人的动力系统或仿生飞行昆虫的翅膀。

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