這種混合致動器結(jié)合了形狀記憶合金與形狀記憶聚合物，克服了恢復(fù)緩慢和單向限制，實現(xiàn)了精確、可重復(fù)的形狀變化。

韓國研究人員公布了一項智能材料領(lǐng)域的突破性成果，該成果有望改變航天、機(jī)器人及可展開結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。

韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的一個研究團(tuán)隊開發(fā)出了一種雙向形狀記憶混合致動器，該致動器無需依賴傳統(tǒng)電機(jī)，即可實現(xiàn)快速可逆的運動。

與通常笨重且機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜的傳統(tǒng)系統(tǒng)不同，這種輕質(zhì)材料能對熱等外部刺激做出響應(yīng)。

據(jù)研究人員稱，他們的設(shè)計使該材料能在不到一秒的時間內(nèi)改變形狀并恢復(fù)到原始形態(tài)，這為高效、下一代驅(qū)動技術(shù)開辟了新的可能性。

可逆形狀致動器

形狀記憶材料（SMM）正逐漸成為傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的有前景的替代方案，特別是在對減輕重量和降低復(fù)雜性至關(guān)重要的航空航天和機(jī)器人領(lǐng)域。

這些材料能響應(yīng)熱或電等外部刺激而改變形狀，從而提供更高效、更緊湊的驅(qū)動方式。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)形狀記憶材料都受限于單向、不可逆的運動，這使得重復(fù)使用變得困難，并降低了其在動態(tài)應(yīng)用中的實用性。

為實現(xiàn)可逆的雙向驅(qū)動，研究人員已開發(fā)出諸如半結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)和液晶彈性體等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)依賴于在施加應(yīng)力下的結(jié)構(gòu)排列。雖然像互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)這類較新的無應(yīng)力方法能實現(xiàn)可逆運動，但它們通常缺乏要求苛刻的結(jié)構(gòu)應(yīng)用所需的機(jī)械強度。

為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，研究人員設(shè)計了一種混合復(fù)合致動器，它將形狀記憶合金（SMA）與形狀記憶聚合物（SMP）結(jié)合在一起。形狀記憶合金提供可靠的熱恢復(fù)能力，而形狀記憶聚合物則提供靈活、可響應(yīng)刺激的形變能力。該團(tuán)隊通過改變形狀記憶聚合物的化學(xué)組成并加入碳纖維進(jìn)行增強，進(jìn)一步提升了其性能，增加了剛度和耐久性。

此外，設(shè)計中還融入了一種受卷尺彈簧啟發(fā)的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了一種“突跳”機(jī)制。這使得變形過程中儲存的能量能夠快速釋放，從而實現(xiàn)更快的驅(qū)動速度和更高的精度。這些創(chuàng)新共同實現(xiàn)了連貫、可重復(fù)的運動，使該致動器非常適合先進(jìn)的工程應(yīng)用和下一代機(jī)器人系統(tǒng)。

先進(jìn)機(jī)器人材料

這種新設(shè)計的致動器實現(xiàn)了完整的雙向運動，加熱時彎曲，冷卻時恢復(fù)到平坦?fàn)顟B(tài)。

研究人員強調(diào)，該致動器的變形范圍顯著更大，形狀恢復(fù)率接近100%，同時其工作速度達(dá)到亞秒級。該致動器的可逆變形范圍是傳統(tǒng)材料的8.6倍，反向恢復(fù)速度是傳統(tǒng)材料的4.9倍。

該致動器在重復(fù)循環(huán)中能保持一致的性能，無需復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這解決了傳統(tǒng)形狀記憶材料長期存在的局限性。這種速度、精度和耐用性的結(jié)合，標(biāo)志著向?qū)嶋H應(yīng)用邁出了重要一步。

該研究團(tuán)隊聲稱，這項技術(shù)可應(yīng)用于多個領(lǐng)域，包括需要重復(fù)運動的機(jī)器人抓手，以及對輕量級、可靠驅(qū)動系統(tǒng)至關(guān)重要的太空任務(wù)可展開結(jié)構(gòu)。

該研究的負(fù)責(zé)人、韓國科學(xué)技術(shù)院機(jī)械工程系的金成秀教授在發(fā)布的一份聲明中表示：“這項研究通過原創(chuàng)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計，克服了材料的物理限制，將形狀記憶致動器的性能提升到了一個新的水平?！?/p>

該論文發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》期刊。

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