高能形状记忆聚合物为机器人打造有力肌肉

拉伸或变形的形状记忆聚合物在加热或光照后，会恢复到原来的形状，这些材料已在柔性机器人、智能生物医学设备、可展开空间结构等方面展现出巨大的潜力。

但是目前，它们储存的能量还不能满足需求。据《美国化学会中心科学》期刊2021年9月8日报道，研究人员现已开发出一种形状记忆聚合物，其存储的能量几乎是以前版本的6倍。

形状记忆聚合物可在原始未变形状态和二次变形状态之间交替。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，例如：动态键合网络或应变诱导结晶，这些变化可通过热或光逆转，聚合物通过释放存储的熵能恢复到其原始状态。但这需要聚合物储存大量的能源。于是，研究人员想要开发一种新型形状记忆聚合物，可以拉伸成稳定的、高度拉长的状态，使其在恢复到原始状态时释放大量的能量。

美国斯坦福大学科学家领导的研究团队此次将4,4'-亚甲基双（苯基脲）单元结合到丙二醇聚合物骨架中。在原始状态下，聚合物链是缠结和无序的。拉伸导致链对齐并在尿素基团之间形成氢键，从而产生稳定的高度伸长状态的超分子结构。加热会导致键断裂，聚合物收缩至其初始无序状态。

在测试中，该聚合物可以拉伸至其原始长度的5倍，并储存高达17.9 J/g的能量——几乎是之前形状记忆聚合物的6倍。研究团队证明，拉伸后的材料可利用这种能量在加热时举起自身重量5 000倍的物体。

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，材料收缩导致人体模型在肘部弯曲手臂。研究人员表示，除了创纪录的高能量密度外，形状记忆聚合物价格也很便宜，原材料成本约为每磅11美元，并且易以制造。