?Matter最新研究：就這么簡(jiǎn)單，柔性聚合物拉一拉就變剛性致動(dòng)器

制動(dòng)器是指在外界化學(xué)、電磁、氣/水壓、溫度、濕度、光照、pH值等刺激作用下產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變的裝置，在軟體(柔性制動(dòng)器)和硬體(剛性制動(dòng)器)機(jī)器人領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用潛力和研究?jī)r(jià)值。大多數(shù)聚合物基柔性致動(dòng)器由于材料的低模量(＜1 GPa)和高應(yīng)變(＞＞1%)特性，目前主要應(yīng)用在軟體機(jī)器人領(lǐng)域，而很難用于硬體機(jī)器人的制備。硬體機(jī)器人所需的剛性致動(dòng)器需要超高模量(＞＞1GPa)的基體材料，而現(xiàn)有的研究表明只有金屬材料能夠滿足這一特性，但是密度較高的金屬材料很難滿足硬體機(jī)器人未來(lái)輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)由于材料的特性，現(xiàn)在金屬材料剛性制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力一般是電刺激。因此找到一種具有低密度和其它刺激作用(如光照)的材料來(lái)代替金屬材料制備適用于硬體機(jī)器人的剛性致動(dòng)器是目前該領(lǐng)域的重大難題！

基于此，荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)Albertus P.H.J.Schenning教授課題組將具有光-熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)的偶氮苯衍生物加入到超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基體中進(jìn)行高度拉伸(拉伸比DR=60)，得到了具有低密度(975kg/m-3)、高機(jī)械強(qiáng)度(模量≈100GPa)以及在低應(yīng)變條件下(＜1%)對(duì)光具有快速(＜1 s)響應(yīng)性的類金屬材料剛性致動(dòng)器薄膜。研究結(jié)果表明利用短鏈PE改性后的偶氮苯衍生物(C78-OH-AZO和C78-AZO)在UHMWPE基體中有良好的分散性，經(jīng)過(guò)高度拉伸之后復(fù)合薄膜結(jié)晶度大幅度增加，因此機(jī)械性能大幅度提升，滿足了剛性致動(dòng)器所需的強(qiáng)度和模量，同時(shí)微添加量(＜0.22mol%)的偶氮苯衍生物在經(jīng)過(guò)高度拉伸之后主要分散在非晶區(qū)相中，在受到外界光照之后，由于受到基體施加的構(gòu)象約束，偶氮苯結(jié)構(gòu)的反式順式光異構(gòu)化過(guò)程受到了限制，而順式反式反異構(gòu)化過(guò)程可以順利進(jìn)行釋放出熱量，這些熱量傳遞到高度取向的UHMWPE鏈上引起了應(yīng)力的增加。測(cè)試結(jié)果顯示復(fù)合薄膜具有快速的光-機(jī)械響應(yīng)能力(＜1s)，在405nm的LED光照和超低的應(yīng)變(~0.06%)條件下，可以使含0.22mol%的C78-OH-AZO復(fù)合薄膜的光致應(yīng)力增強(qiáng)達(dá)到60MPa，驅(qū)動(dòng)效率超過(guò)6×104Pa/(kg m-3)，并且在經(jīng)過(guò)2600次循環(huán)之后其光驅(qū)動(dòng)應(yīng)力增強(qiáng)效果可以得到很好的保持，因而在輕量化硬體機(jī)器人領(lǐng)域所需的剛性致動(dòng)器制備上具有重要的應(yīng)用潛力。這項(xiàng)研究以題為“Fast, Light-Responsive, Metal-Like Polymer Actuators Generating High Stresses at Low Strain”的論文發(fā)在《Matter》期刊上(后附原文鏈接)。

作者研究了兩種結(jié)構(gòu)的偶氮苯分子(C78-OH-AZO和C78-AZO)對(duì)UHMWPE薄膜光驅(qū)動(dòng)應(yīng)力增強(qiáng)性能的影響，為了提高偶氮苯分子在非極性UHMWPE基體中的分散性，作者首先在偶氮苯分子兩端接枝了短PE鏈[圖1(a)]得到偶氮苯衍生物，將其與UHMWPE高溫混溶之后成各向同性的膜，然后再在120℃條件下進(jìn)行高度拉伸(DR=60)得到具有各向異性[圖1(b)、(c)]、高結(jié)晶度和高強(qiáng)度的復(fù)合薄膜。

作者對(duì)含不同結(jié)構(gòu)的偶氮苯衍生物和在不同強(qiáng)度光照條件下的復(fù)合薄膜進(jìn)行了應(yīng)力-松弛機(jī)械性能測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。測(cè)試發(fā)現(xiàn)在應(yīng)變小于1 %的條件下，復(fù)合薄膜顯示出典型的線性粘彈性力學(xué)行為，因此作者在保持1%形變的條件下研究了光照對(duì)復(fù)合薄膜(含0.06 mol%偶氮苯衍生物)應(yīng)力的影響。結(jié)果顯示復(fù)合薄膜應(yīng)力對(duì)光具有非?？焖俚捻憫?yīng)性，在＜1s的時(shí)間內(nèi)彈性模量約為100GPa的薄膜應(yīng)力增加了10~30MPa，并且隨著光照的增強(qiáng)應(yīng)力還可以得到進(jìn)一步提升，顯示出了優(yōu)異的光致應(yīng)力增強(qiáng)的特性。同時(shí)作者發(fā)現(xiàn)光致應(yīng)力增強(qiáng)效果還可以隨著偶氮苯衍生物在復(fù)合薄膜中添加量的增加而增加[圖2(E)(F)]——在406nm的LED光照條件下，含0.22mol%的C78-OH-AZO復(fù)合薄膜光致應(yīng)力增強(qiáng)最大可以超過(guò)60MPa。

研究結(jié)果表明含偶氮苯結(jié)構(gòu)的UHMWPE復(fù)合薄膜光致應(yīng)力增強(qiáng)的特性來(lái)源于偶氮苯的光-熱轉(zhuǎn)換特性，偶氮苯在高度結(jié)晶的UHMWPE基體中受限促使了順式結(jié)構(gòu)向反式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，釋放出的熱量使得復(fù)合薄膜應(yīng)力增強(qiáng)。由于復(fù)合薄膜具備高模量、對(duì)光快速響應(yīng)以及光照下應(yīng)力大幅度增強(qiáng)的特性，因此是制備剛性制動(dòng)器的理想材料。測(cè)試結(jié)果表明，由該復(fù)合薄膜制備的剛性致動(dòng)器在線性旋轉(zhuǎn)光照射下可以產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩應(yīng)力波，并在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試中顯示出優(yōu)異的可循環(huán)性。

總結(jié)：這項(xiàng)研究采用加入順?lè)唇Y(jié)構(gòu)可變的偶氮苯結(jié)構(gòu)分子(光照觸發(fā))和高度拉伸的加工方式制備了高強(qiáng)度、低密度、優(yōu)異的光致應(yīng)力增強(qiáng)和快速光響應(yīng)特性的聚合物基剛性致動(dòng)器，使傳統(tǒng)的電驅(qū)動(dòng)剛性制動(dòng)器和光驅(qū)動(dòng)柔性制動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，在未來(lái)的輕量化硬體機(jī)器人領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力，同時(shí)也開(kāi)拓了一種低密度剛性制動(dòng)器材料的制備方法。

原文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520301144