高能形状记忆聚合物，打造机器人有力“肌肉”

文|陈根

形状记忆聚合物是一种刺激响应智能材料，在特定的外部刺激条件下可以根据预先设计的方式改变形状。近年来，形状记忆聚合物(SMP)的发展取得了明显进步，其自身的优势也得到了充分展示。

形状记忆聚合物具有密度低、变形量大、驱动方式丰富、生物相容性好等一系列优势，在航空航天、生物医学、仿生工程、电子元件、智能机器人等领域有着巨大的应用前景。但是，其在能量的储存方面还有较大提升空间。

近日，美国斯坦福大学的研究人员开发出一种形状记忆聚合物，其存储的能量几乎是以往版本的6倍，相关成果发表在了《美国化学会中心科学》上。

通常情况下，形状记忆聚合物的变形状态通过拉伸聚合物形成，并通过分子变化保持在适当的位置，可以在原始未变形状态和二次变形状态之间交替。例如动态键合网络或应变诱导结晶，聚合物通过释放存储的熵能恢复到原始状态。在这一过程中，需要聚合物储存大量能源。

于是，研究人员将4-、4 ' -methylene bisphenylurea单元引入到聚酯（丙二醇）聚合物主链中。在聚合物的初始状态下，聚合物链是杂乱无序的。拉伸导致链发生排列并在尿素基团之间形成氢键，进而形成稳定高度伸长状态的超分子结构。加热会导致化学键发生断裂，聚合物则会收缩到最初的无序状态。

在测试中，该聚合物可拉伸至其原始长度的5倍，能够储存高达17.9焦/克的能量，这几乎是之前形状记忆聚合物的6倍。研究人员还将预拉伸的聚合物连接到木制人体模型的上臂和下臂，用作人造肌肉。

加热时，材料收缩可以使人体模型在肘部弯曲手臂。拉伸后的材料可利用这种能量在加热时举起自身重量5000倍的物体。除此以外，该形状记忆聚合物易于制造，价格也较为便宜，原材料成本约为每磅11美元。未来，其有望在众多领域大展身手。