傅佳骏教授 Angew：可变刚度的超韧、刚性和可愈合超分子聚合物, 用于多模态驱动器

可变刚度材料在软机器人技术中的应用相当广泛。然而，之前报道的材料往往难以兼顾高刚度、可拉伸性、韧性和自愈能力，因为这些特性在分子设计中存在内在冲突。在本文中，我们提出了一种新策略，即在致密而坚固的氢键网络中加入能产生强交联位点的酸碱离子对，从而构建出具有可调刚度和优异韧性的刚性自愈合聚合物。为了展示这些显著特点，该聚合物被用作纤维增强气动致动器（FPA）的应变调节层。FPA的配置多样性与超分子聚合物的动态分子行为之间的卓越协同作用，使执行器在运动灵巧性、多模态性、负载能力、坚固性和耐用性方面得到了同步改善。此外，在宏观和微观尺度上整合高灵巧性的概念具有广阔的前景，可为设计跨领域的智能而坚固的设备提供灵感。

图文简介

a )圆柱形软体驱动器样机示意图。b )低温或高温应变下SPs的链结构示意图。

a, b) SP 0%和SP 10%在 20 mm min−1应变速率下测量的应力-应变曲线。。c、d) SP 0%和SPsin应变和韧性的比较。数据以四个样本的平均值和标准差(误差条)表示。e、f) SP 0%和SP 10%在拉伸试验期间和断裂后的光学照片和扫描电镜(SEM)图像。

a, b) 不同温度下SP 10%的应力-应变曲线和杨氏模量。c) 在30-150 °C温度范围内使用流变仪获得的SP 10%的存储模量（G′）、损耗模量（G″）和 tanδ。 d) 以 20 mm min-1的应变速率测量的原始和愈合的SP 10%花键的应力-应变曲线。 e) SP 10%和以前报道的可变刚度材料的韧性与温度的Ashby图。f) SP的韧性、杨氏模量（室温下）和自愈时间与之前报道的一些典型材料的比较。

a, b）半圆柱形SP-FPA模型的设计和构造，该模型通过调节纤维加强筋的排列和SP SRL的位置实现了多模态变形能力（a）。SP-FPA能够执行多种运动，包括弯曲、扭转、拉伸以及这些运动的组合（b）。 c-e) 圆柱形SP-FPA模型的结构和变形行为。圆柱形SP-FPA由四片沿其侧表面嵌入的SP基SRL组成（c）。通过调节充气压力和SP刚度，SP-FPA模型可在不同方向（方位角，α）实现不同程度（天顶角，β）的可控弯曲（d，e）。天顶角β和模型的相应轨迹可通过调节致动压力独立控制，与方位角无关。 f) SP-FPA与传统FPA的愈合性能比较，PET用作应变调节层（SRL）。如果SR 最初被剪刀剪断，基于PET的FPA在充气时受损区域会出现无法控制的拉伸。与此相反，SP-FPA通过电加热（约 50 °C）愈合4 小时后，几乎可以完全恢复其变形能力。

论文信息

通讯作者：iaJun Fu