宾夕法尼亚大学《先进材料》综述：电可编程刚度的材料|介电|先进材料|机械|材料

【摘要】

刚度是任材料系统至关重要的机械特性，是一个静态量。近期工作表明，具有可编程刚度的新型材料可以提高性能并简化工程系统的设计，例如变形机翼、机器人抓手和可穿戴外骨骼。电激活刚度的编程材料非常热门，因为在自动机器和机器人中，电传感、控制和电力网络具有天然的兼容性。

近年来，各大期刊关于具有电驱动刚度调制的材料及其应用的论文数量快速增加。对此，美国宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系James H. Pikul与Kevin T. Turner教授对实现电编程刚度的可用材料进行了全面审查，表明所有当前方法都可以归类为使用静电或电激活相变，并总结了这些材料的优点、局限性和应用。最后，作者总结了这种材料的开发和使用的最新趋势和未来前景。文章以“Materials with Electroprogrammable Stiffness”发表在期刊《Advanced Materials》。

【图文解析】

图1，生物学的可编程刚度。A) 人类会增加肌肉的硬度来执行任务。B) 海参增加其真皮层的硬度作为一种保护手段。C) 雨燕会改变翅膀的刚度以动态地改变空中效率，大象可以使用柔软状态的躯干来适应脆弱的物体并使其变硬以承载大载荷。D) 可编程刚度材料越来越多地用于工程领域，包括机器人、生物医学、飞行器和虚拟现实。E) 许多刺激已被用于对材料系统中的刚度变化进行编程。

作者全面概述了允许通过电激活调节刚度的材料。这些材料利用静电或相变来调节刚度，材料特性、材料加工和材料设计的结合在提高性能方面发挥着关键作用。电可编程刚度的材料领域将来会进一步发展。首先，对于电粘合剂，可以通过开发具有离子双层的离子弹性体材料来显着降低激活电压并增加刚度的变化，这些材料在纳米长度尺度上传输静电力，或使用具有半导体电粘合剂。电流变材料的新几何结构粘度降低的系统会增加介电粒子链的形成，这反过来会增加剪切刚度的变化。电动液压材料的新型几何结构和制造技术可以使柔顺电极层之间的间隙更小，从而增加阻挡力。电液材料系统也将受益于使用更高介电常数的介电液体代替当今常用的油基介质。水基介电液体可以使材料在形状和刚度方面发生更大的变化，但必须解决在没有短路或电解的情况下产生大电场的问题才能实现这一目标。对于电化学材料，可以通过使用具有降低的离子和电子传输阻力的材料来减少激活和去激活时间，

图2，电编程刚度的最新材料的总结。电可编程材料系统的激活和去激活模量作为其最低施加电压（左上）、最短响应时间（右上）、静电材料单位面积归一化功耗（左下）的函数，以及电激活相变材料的标准化单位体积功耗（右下）。

【总结】

随着材料科学、电化学、物理学、电气工程、机械工程和机器人技术的发展在未来不断发展，作者预见具有电可编程刚度的新材料将表现出更大的刚度调制范围、更低的工作电压和更短的激活/失活时间。因此，这些材料将成为新一波新兴技术不可或缺的一部分。触觉设备的电可编程材料可以与人机界面集成并动态改变它们的形状和刚度，以真实地模拟虚拟环境中真实物体的特征。电激活织物可以实现可穿戴医疗技术，例如夹板，这些技术可以改变它们的形状和硬度以匹配用户的体型。可编程皮肤可以廉价地应用于软机器人操纵器，以帮助它们在探索场景中携带更大的有效载荷，而不会破坏当地环境。总之，具有电可编程刚度的新兴材料是机器和机器人的自主、“智能”结构部件的基石，它们可以决定调节其刚度以响应环境的变化。然而，要实现真正自主的材料，还需要对传感网络、电源和反馈控制系统的关键进步进行补充。在下一代多功能机器人和机器中，此类子系统必须与具有电可编程刚度的材料巧妙集成，其设计更类似于生物有机体的设计。

参考文献：
doi.org/10.1002/adma.202007952