研究：對碳納米管薄膜基人工肌肉致動器

  據(jù)介紹，凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)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(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)超級電容器。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碳納米管薄膜基人工肌肉致動器進(jìn)行了研究。
很多材料在光、電、熱、磁等作用下會產(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、更低的價格。
其中，離子型電致動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伏特，這使得它們成為輕質(zhì)仿生系統(tǒng)運動部件的材料。
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)輸出能力也相對較弱。
針對這些難題，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(fā)生快速的往復(fù)擺動。
據(jù)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(wěn)定地在空氣環(huán)境中工作，其電力學(xué)性能也有一到兩個數(shù)量級的進(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(dǎo)及其優(yōu)異力學(xué)性能對整個器件力學(xué)性能的提高和調(diào)制。這種新型的電致動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)器人的動力系統(tǒng)或仿生飛行昆蟲的翅膀。