宾夕法尼亚州立大学的研究人员成功开发出一种新型铁电聚合物，能高效地将电能转化为机械应变。这种材料潜在用途广泛，可应用于医疗设备和机器人技术领域，克服了传统压电材料的限制。通过构建一种聚合物纳米复合材料，研究人员显著降低了所需的驱动场强度，从而大大扩展了其潜在应用领域。

一支由宾州州立大学牵头的国际研究团队指出，一种新型的铁电聚合物在将电能转化为机械应变方面表现出色，具有成为高性能运动控制器或“扰动器”的巨大潜力，有望广泛应用于医疗设备、先进机器人和精密定位系统等领域。

机械应变指的是材料在受力时改变形状的性质，在执行机构中是一个重要的特性。执行机构是指当外部力量（如电能）施加时会发生改变或变形的任何材料。传统上，这些执行机构材料都是刚性的，但是软性执行机构，如铁电聚合物，具有更高的柔性和环境适应性。

该研究展示了铁电聚合物纳米复合材料克服传统压电聚合物复合材料的局限性，并为发展具有增强应变性能和机械能密度的软致动器提供了一个有前途的途径。软致动器对于机器人学研究人员特别感兴趣，因为它们具有强度、功率和灵活性。

"“潜在地，我们现在可以拥有一种我们称之为人工肌肉的软体机器人，" 说道清王，宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程专业教授，也是最近在《自然材料》期刊上发表论文的共同通讯作者之一。"这将使我们能够拥有能够承载较高负荷和较大应变的软物质。因此，这种材料将更接近人类肌肉的模仿品。”"

然而，在这些材料能够实现其承诺之前，还需要克服一些障碍，并且研究中提出了这些障碍的潜在解决方案。铁电材料是一类在外加电荷时表现出自发电极化的材料，其中材料中的正、负电荷走向不同的极点。在相变期间，即电能转化为机械能的过程中，材料中的应变可以完全改变其形状等性质，从而使其在执行器方面具有实用性。

铁电传动器的常见应用之一是喷墨打印机，通过电荷改变传动器的形状，精确控制微小的喷嘴，将墨水沉积在纸上形成文字和图像。

虽然许多铁电材料属于陶瓷类，但它们也可以是聚合物，一种由许多相似单元结合而成的天然或合成材料。例如，DNA 和尼龙都属于聚合物。铁电聚合物的一个优势是它们表现出巨大的电场诱导应变，这种应变是执行动作所需的。这种应变远高于其他用于执行器的铁电材料，比如陶瓷材料生成的应变。

铁电材料的这一特性，加上高度的柔韧性、相对于其他铁电材料来说成本较低和重量较轻的优势，引起了软体机器人领域的研究者们的浓厚兴趣。软体机器人指的是具有柔性零件和电子元件的机器人设计。

说起这项研究，王教授表示：“我们提出了在软性材料驱动领域面临的两大挑战的解决方案。第一个挑战是如何提高软性材料的力量。我们知道，作为聚合物材料的软性驱动材料具有最大的应变能力，然而与压电陶瓷相比，它们产生的力量要小得多。”

第二个挑战是，铁电聚合物致动器通常需要非常高的驱动场，这是一种施加于系统的力量，比如在致动器中引起形状变化。在这种情况下，高驱动场是必要的，以产生聚合物中所需的形状变化，以实现铁电反应并转变为致动器。

提出的改善铁电聚合物性能的解决方案是开发一种渗透性铁电聚合物纳米复合材料——一种附着在聚合物上的微观粘合剂。研究人员将纳米粒子并入聚偏氟乙烯（一类聚合物）中，从而在聚合物内部形成了一个相互连接的极点网络。

这个网络使得铁电相变能够在比通常所需更低的电场下被引发。这是通过利用焦耳加热的电热方法实现的，当电流通过导体产生热量时，这种现象就会发生。利用焦耳加热来引发纳米复合聚合物的相变，仅需不到一般铁电相变所需电场强度的10%。

“通常，铁电材料中的应变和力量是相互关联的，成反比关系，”王说。“现在我们可以将它们整合到一个材料中，并且我们还开发了一种使用焦耳加热驱动的新方法。由于驱动场强将大大降低，不到10%，这就是为什么这种新材料可以用于许多需要低驱动场强才能发挥有效作用的应用，如医疗设备、光学设备和软体机器人。”