制動器是指在外界化學(xué)、電磁、氣/水壓、溫度、濕度、光照、pH值等刺激作用下產(chǎn)生機械應(yīng)力或應(yīng)變的裝置，在軟體(柔性制動器)和硬體(剛性制動器)機器人領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用潛力和研究價值。大多數(shù)聚合物基柔性致動器由于材料的低模量(＜1 GPa)和高應(yīng)變(＞＞1%)特性，目前主要應(yīng)用在軟體機器人領(lǐng)域，而很難用于硬體機器人的制備。硬體機器人所需的剛性致動器需要超高模量(＞＞1GPa)的基體材料，而現(xiàn)有的研究表明只有金屬材料能夠滿足這一特性，但是密度較高的金屬材料很難滿足硬體機器人未來輕量化的發(fā)展趨勢，同時由于材料的特性，現(xiàn)在金屬材料剛性制動器的驅(qū)動力一般是電刺激。因此找到一種具有低密度和其它刺激作用(如光照)的材料來代替金屬材料制備適用于硬體機器人的剛性致動器是目前該領(lǐng)域的重大難題！
基于此，荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)Albertus P.H.J.Schenning教授課題組將具有光-熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)的偶氮苯衍生物加入到超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基體中進行高度拉伸(拉伸比DR=60)，得到了具有低密度(975kg/m-3)、高機械強度(模量≈100GPa)以及在低應(yīng)變條件下(＜1%)對光具有快速(＜1 s)響應(yīng)性的類金屬材料剛性致動器薄膜。研究結(jié)果表明利用短鏈PE改性后的偶氮苯衍生物(C78-OH-AZO和C78-AZO)在UHMWPE基體中有良好的分散性，經(jīng)過高度拉伸之后復(fù)合薄膜結(jié)晶度大幅度增加，因此機械性能大幅度提升，滿足了剛性致動器所需的強度和模量，同時微添加量(＜0.22mol%)的偶氮苯衍生物在經(jīng)過高度拉伸之后主要分散在非晶區(qū)相中，在受到外界光照之后，由于受到基體施加的構(gòu)象約束，偶氮苯結(jié)構(gòu)的反式順式光異構(gòu)化過程受到了限制，而順式反式反異構(gòu)化過程可以順利進行釋放出熱量，這些熱量傳遞到高度取向的UHMWPE鏈上引起了應(yīng)力的增加。測試結(jié)果顯示復(fù)合薄膜具有快速的光-機械響應(yīng)能力(＜1s)，在405nm的LED光照和超低的應(yīng)變(~0.06%)條件下，可以使含0.22mol%的C78-OH-AZO復(fù)合薄膜的光致應(yīng)力增強達(dá)到60MPa，驅(qū)動效率超過6×104Pa/(kg m-3)，并且在經(jīng)過2600次循環(huán)之后其光驅(qū)動應(yīng)力增強效果可以得到很好的保持，因而在輕量化硬體機器人領(lǐng)域所需的剛性致動器制備上具有重要的應(yīng)用潛力。這項研究以題為“Fast, Light-Responsive, Metal-Like Polymer Actuators Generating High Stresses at Low Strain”的論文發(fā)在《Matter》期刊上(后附原文鏈接)。
作者研究了兩種結(jié)構(gòu)的偶氮苯分子(C78-OH-AZO和C78-AZO)對UHMWPE薄膜光驅(qū)動應(yīng)力增強性能的影響，為了提高偶氮苯分子在非極性UHMWPE基體中的分散性，作者首先在偶氮苯分子兩端接枝了短PE鏈[圖1(a)]得到偶氮苯衍生物，將其與UHMWPE高溫混溶之后成各向同性的膜，然后再在120℃條件下進行高度拉伸(DR=60)得到具有各向異性[圖1(b)、(c)]、高結(jié)晶度和高強度的復(fù)合薄膜。
作者對含不同結(jié)構(gòu)的偶氮苯衍生物和在不同強度光照條件下的復(fù)合薄膜進行了應(yīng)力-松弛機械性能測試，結(jié)果如圖2所示。測試發(fā)現(xiàn)在應(yīng)變小于1 %的條件下，復(fù)合薄膜顯示出典型的線性粘彈性力學(xué)行為，因此作者在保持1%形變的條件下研究了光照對復(fù)合薄膜(含0.06 mol%偶氮苯衍生物)應(yīng)力的影響。結(jié)果顯示復(fù)合薄膜應(yīng)力對光具有非常快速的響應(yīng)性，在＜1s的時間內(nèi)彈性模量約為100GPa的薄膜應(yīng)力增加了10~30MPa，并且隨著光照的增強應(yīng)力還可以得到進一步提升，顯示出了優(yōu)異的光致應(yīng)力增強的特性。同時作者發(fā)現(xiàn)光致應(yīng)力增強效果還可以隨著偶氮苯衍生物在復(fù)合薄膜中添加量的增加而增加[圖2(E)(F)]——在406nm的LED光照條件下，含0.22mol%的C78-OH-AZO復(fù)合薄膜光致應(yīng)力增強最大可以超過60MPa。
- 圖3.(A)復(fù)合薄膜在光照射后的譜圖變化，顯示了偶氮苯順反結(jié)構(gòu)的變化；(B)線性旋轉(zhuǎn)光照射下復(fù)合薄膜產(chǎn)生的振蕩應(yīng)力波；(C)含0.22 mol %的C78-OH-AZO復(fù)合薄膜光致應(yīng)力增強循環(huán)測試
研究結(jié)果表明含偶氮苯結(jié)構(gòu)的UHMWPE復(fù)合薄膜光致應(yīng)力增強的特性來源于偶氮苯的光-熱轉(zhuǎn)換特性，偶氮苯在高度結(jié)晶的UHMWPE基體中受限促使了順式結(jié)構(gòu)向反式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，釋放出的熱量使得復(fù)合薄膜應(yīng)力增強。由于復(fù)合薄膜具備高模量、對光快速響應(yīng)以及光照下應(yīng)力大幅度增強的特性，因此是制備剛性制動器的理想材料。測試結(jié)果表明，由該復(fù)合薄膜制備的剛性致動器在線性旋轉(zhuǎn)光照射下可以產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩應(yīng)力波，并在長時間測試中顯示出優(yōu)異的可循環(huán)性。
總結(jié)：這項研究采用加入順反結(jié)構(gòu)可變的偶氮苯結(jié)構(gòu)分子(光照觸發(fā))和高度拉伸的加工方式制備了高強度、低密度、優(yōu)異的光致應(yīng)力增強和快速光響應(yīng)特性的聚合物基剛性致動器，使傳統(tǒng)的電驅(qū)動剛性制動器和光驅(qū)動柔性制動器的優(yōu)點相結(jié)合，在未來的輕量化硬體機器人領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力，同時也開拓了一種低密度剛性制動器材料的制備方法。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520301144
