新型磁性聚合物助力软体机器人实现更强韧、更灵活的人造肌肉

研究人员开发出一种双交联磁性聚合物，兼具高拉伸性与创纪录的工作密度。

尽管当今的软质人造肌肉具有出色的柔韧性，却难以输出有效的力量。这限制了它们在现实机器中的应用——即便它们能像生物组织一样弯曲、拉伸和扭转，这是刚性电机无法做到的。这类材料在狭窄空间作业的机器人、与身体自然协同的可穿戴系统，以及适用于活体组织的轻柔手术工具等领域前景广阔，但分子层面的柔软特性仍导致其力量不足。

工程师常用工作密度来衡量这一瓶颈——即驱动器每单位体积所能输出的机械能，单位为千焦/立方米。在实际应用中，它反映了材料能根据其尺寸实现多少推、拉或抬升动作。软质聚合物易拉伸但出力微弱，而硬质材料虽能出力却难以形变。

突破人造肌肉性能关键壁垒

多年来，各类主流人造肌肉技术都面临同一困局：要么大幅伸展，要么输出强作用力，无法兼顾。介电弹性体可大幅拉伸但需高压驱动且力量薄弱；碳纳米管纱线重量轻却抬升力有限；液晶弹性体动作优雅但输出能量有限；甚至连天然肌肉也仅具备中等应变与较低的工作密度。

如今，韩国蔚山国家科学技术研究院的研究团队打破了这一模式。据Nanowerk报道，他们研发的双交联磁性聚合物驱动器实现了1,150 kJ/m³的工作密度和86.4%的驱动应变，为软质人造肌肉树立了新的性能标杆。

这种新材料将极高柔韧性与出色强度相结合。它可拉伸至原始长度的12倍以上才断裂，并能从橡胶般的柔软状态转变为塑料般的刚性状态——刚度变化超千倍。这一突破源于巧妙的分子设计：同一聚合物兼具橡胶与塑料特性，其内部网络由两种交联键共同维系。

新型聚合物驱动器实现能量按需存储与释放

该材料的强大之处在于其双模式工作机制：当加热至约37°C（99°F）以上时，聚合物软化，可在磁场作用下拉伸、弯曲或扭转；关闭磁场后即恢复原状。随后冷却至约27°C（80°F）以下，新形状被锁定，能量得以存储。再次加热则会释放储存的能量，驱动材料收缩并对外做功。

通过测试，团队确定了最优配方：使用约0.39盎司（11克）磁性颗粒与微量交联剂。在此比例下，驱动器实现86.4%的应变，工作密度达创纪录的约33,000英尺-磅/立方英尺（1,150 kJ/m³）。其形状恢复率近100%，300次循环后性能保持率超87%，并可承受超自身重量4,000倍的负荷。功率输出达每吨约0.54马力，性能堪比当前最优人造肌肉。

机器人测试验证了该材料的实用价值：在软态下，驱动器可通过磁力抓取物体；经激光聚焦加热后，其收缩可抬升2.7至4.1盎司（77-116克）的重物，形状恢复率达39%-52%。横向对比显示，该驱动器的性能区间此前从未被突破——水凝胶虽可拉伸40%-65%，但工作密度始终低于约11,800英尺-磅/立方英尺（400 kJ/m³）。

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