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碳納米管薄膜基人工肌肉致動(dòng)器研究獲進(jìn)展
2012-02-02  來源：中國聚合物網(wǎng)
    自上世紀(jì)90年代初被發(fā)現(xiàn)以來，碳納米管一直是科學(xué)家研究的熱點(diǎn)，其優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)性能不斷被挖掘。記者日前從中國科學(xué)院物理研究所獲悉，該所北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）的研究人員在碳納米管薄膜基人工肌肉致動(dòng)器方面取得了新進(jìn)展。
 
據(jù)介紹，凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)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(xù)的力電傳遞載體制備了高性能的新型碳納米管復(fù)合纖維、復(fù)合薄膜及卷繞式電化學(xué)超級(jí)電容器。最近，在這些工作的基礎(chǔ)上，中科院院士解思深指導(dǎo)的博士生李金柱等人對(duì)碳納米管薄膜基人工肌肉致動(dòng)器進(jìn)行了研究。
 
很多材料在光、電、熱、磁等作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲、伸縮等類似自然肌肉的力學(xué)形變，被稱為智能材料或人工肌肉，可廣泛用于仿生機(jī)器人、開關(guān)、傳感器等。傳統(tǒng)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(jià)格。
 
其中，離子型電致動(dòng)聚合物是一種能將電能直接轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的材料，包括導(dǎo)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(gè)伏特，這使得它們成為輕質(zhì)仿生系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的首選材料。
 
但是離子遷移通常要在溶液中進(jìn)行，并且需要克服阻力做功，所以使得這種電致動(dòng)器件響應(yīng)較慢（秒至分鐘）、頻率使用范圍很窄（通常小于1赫茲）、力學(xué)輸出能力也相對(duì)較弱。
 
針對(duì)這些難題，物理所的研究人員采用連續(xù)的碳納米管薄膜作為電極層及力學(xué)增強(qiáng)體，用灌注了離子液體的天然聚合物凝膠作為電解質(zhì)層，熱壓組裝成三明治結(jié)構(gòu)的電致動(dòng)聚合物器件。對(duì)這樣的懸臂梁式器件兩電極層間施加一個(gè)交流電場，它就會(huì)發(fā)生快速的往復(fù)擺動(dòng)。
 
據(jù)介紹，與之前的離子型聚合物致動(dòng)器相比，這種新型致動(dòng)器可以長期穩(wěn)定地在空氣環(huán)境中工作，其電力學(xué)性能也有一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)的進(jìn)步，如18毫秒的超快的電力學(xué)響應(yīng)、幾十至上百赫茲的相當(dāng)寬的頻率使用范圍以及驚人的力學(xué)輸出能力。
 
研究人員介紹說，如此顯著的性能提高，不僅因?yàn)樘技{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(dǎo)及其優(yōu)異力學(xué)性能對(duì)整個(gè)器件力學(xué)性能的提高和調(diào)制。這種新型的電致動(dòng)器件可以在很寬的頻率內(nèi)使用，如低頻下工作的夾持裝置或機(jī)器人手臂的彎曲構(gòu)件，或高頻共振頻率下工作的輕型仿生飛行機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)或仿生飛行昆蟲的翅膀。
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