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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

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  • 原文链接https://page.om.qq.com/page/OCh3sggbSYEM_gCD_txBX78w0
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