仿生材料电活性聚合物人工肌肉的研究进展

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1、·134·高分子通报2008年8月仿生材料电活性聚合物“人工肌肉"的研究进展李晓锋梁松苗李艳芳王永鑫徐坚‘(高分子物理与化学国家重点实验室，中国科学院化学研究所，北京100080)摘要：自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。20世纪中期，人们越来越深刻认识到大自然的启发对于开发新材料和新技术的重要性，从而提出仿生学概念并建立仿生学这一学科。随着研究的发展，仿生学已成为自然科学的一个前沿和焦点。进入2l世纪以来，随着机器人开发的不断深入以及人们对智能机械系统的强烈需求，作为机器人和智

2、能机械系统驱动关键的人工肌肉已成为仿生领域的研究重点。电活性聚合物驱动器具有应变高、柔软性好、质轻、无噪声等特点，与肌肉有着极为相似的特性，甚至在一些方面的性能已经超过了肌肉，被公认为是最合适的仿肌肉材料．称之为。人工肌肉”。近二十年来，在电活性聚合物驱动材料方面取得的研究进展使得仿生的。人工肌肉”研究得以飞速发展。关键词：仿生；人工肌肉；电活性聚合物；驱动器引言肌肉是生物学上可收缩的组织，具有信息传递、能量传递、废物排除、能量供给、传动以及自修复功能，一直以来就是研究者开发驱动器灵感的来源，人类很早就致力

3、于仿生物肌肉的“人工肌肉”研发。上世纪50年代，McKibben首次研制了气动驱动器，并发展成为商业上的Mcl(ibben驱动器¨1，但是作为人工肌肉材料，McKibben驱动器体积大，而且受到辅助系统的限制。形状记忆合金也被尝试用作人工肌肉材料比1，与同时代的驱动材料相比，具有高能量密度和低比重等特点，但同样存在许多不利因素，如形变不可预知性，响应速度慢以及使用尺寸受限等，这些都制约了其在人工肌肉材料方面的发展。电活性陶瓷是人工肌肉的另一个备选材料，其响应速度较形状记忆合金快，但是脆性大，只能获得小于l％

4、的应变¨1。由于受材料的限制，人工肌肉的研究一直出于缓慢发展阶段，直到一类新型材料——电活性聚合物(Electroactivepolymers，EAP)的出现。EAP可以产生的应变比电活性陶瓷大两个数量级，并且较形状记忆合金响应速度快、密度小、回弹力大，另外具有类似生物肌肉的高抗撕裂强度及固有的振动阻尼性能等¨j。EAP的出现给人工肌肉领域以新的冲击，从上个世纪90年代初开始，基于电活性聚合物材料的人工肌肉驱动器得到快速发展。电活性聚合物驱动材料是指能够在电流、电压或电场作用下产生物理形变的聚合物材料，其显

5、著特征是能够将电能转化为机械能。EAP开发应用可追溯到1880年，伦琴发现一端固定的橡胶条在电场下可以发生长度的改变b1。之后在1925年压电聚合物被发现，但由于应变和做功很小，只被用作传感器【61。1949年Katchalsky"o发现胶原质纤维在酸碱溶液中可重复收缩和膨胀，这是聚合物材料的化学响应性首次被发现。1969¨1年，研究者发现PVDF材料具有较大的压电效应，人们开始把目光投向其它聚合物体系，之后大量具有铁电性质的电活性聚合物材料被开发出来。人工肌肉研究最大的发展发生在最近十几年，应变可以达到3

6、80％甚至更大的材料已被研制出∽1。随着EAP材料研究的不断深入和发展，其巨大的应用前景已呈现在人们面前。EAP材料可作为人工肢体和人造器官、内窥镜导管、供宇航员和残疾人用的增力外骨架以及制作机器人肌肉，可用于制造尺寸更加细小的器件用于基因工程来操作细胞。利用电活性聚合物可实现设备与器件的小型化，从而推动微电子机械技术的发展。目前国际上研究目标之一是制造“昆虫”机器人，可用于军事、医疗等领域。利用电活性聚合物模仿鱼尾作为推进器，可用于制基金项目：国家自然科学基金(50425312，50521302，5067

7、3097)，973项目(2007ca936400)和中国科学院方向性创新项目；*作者简介：李晓锋(1982一)，男，博士研究生，从事凝胶电场驱动研究；*通讯联系人，E-mail：jxu@iecas．扯．cn．第8期高分子通报造无噪声的微型舰船。基于此构想，电活性聚合物的第一个商业用途早已实现，但仅作为玩具——2002年12月，日本大阪的一家公司生产出一种机械鱼，可以在水中自由地游弋。这是聚合物人工肌肉发展史上的一个里程碑。目前已经被开发的科学应用领域主要有：人机械面、飞行器应用、可控制织物、机器人、医疗等，

8、然而大都处于实验阶段。根据形变产生的机制，电活性聚合物人工肌肉材料可以分为电子型和离子型两大类¨0

9、。电子型即电场活性材料，通过电场以及静电作用(库仑力)驱动，因为驱动体系不需要保持在湿态环境下，也被称为干驱动体系。这一类主要包括电介质弹性体、压电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物及液晶弹性体。电致伸缩纸和电致粘弹性弹性体也属于此类，但在本文不做详细说明；离子型聚合物即电流活性材料，包括聚合物电解质凝胶、碳纳米管