Shrinky Dinks 背后的技术可以制造更好的机器人

想象一下，机械手臂不需要机械装置就能移动，或者手术工具可以在体内自行扩张或重塑。虽然这些听起来很奇怪也很神奇，但它们实际上已经存在。

这些古怪的仪器都依赖于形状记忆聚合物，这是一种可以自行变形的材料。现在，斯坦福大学的研究人员已经制造出一种形状记忆聚合物，它比之前的任何同类产品都更坚固、更强大。他们上周在《ACS Central Science》杂志上发表了他们的研究成果。

斯坦福大学研究生、该论文的主要作者之一 Shayla Nikzad 表示：“（形状记忆聚合物）在我们的生活中已经商业化了一段时间了。”

聚合物是一种非常长的分子，由许多较小的分子组成，形成一条巨大的链。毫不夸张地说，聚合物控制着我们的世界。细胞背后的 DNA 就是聚合物；丝绸和明胶也是由聚合物制成的。在日常生活中，你很可能会遇到人造聚合物，它们构成了塑料和合成橡胶。

形状记忆聚合物是一种非常特殊的聚合物。当你弯曲它们时，聚合物中的分子会形成一些特殊的键。当你将它们暴露在某种刺激下时——光、电，或者最常见的是温度变化——这些键会断裂，并使聚合物恢复到原来的状态。

换句话说，形状记忆聚合物“记住”其原始形状，并可以自行重塑为真实形状。许多工程师发现这种能力令人无法抗拒。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校航空航天工程学教授凯·詹姆斯 (Kai James) 表示：“因此，我们可以使用形状记忆聚合物来制造一种装置......它不需要真正被拉伸或拉伸就可以改变形状，”他并不是该论文的作者。

如果你玩过 Shrinky Dink，你就会见识过形状记忆聚合物的作用。当你把它放进烤箱时，它会收缩并变硬。当然，之后你就不能轻易地将 Shrinky Dink 拆下来；事实上，许多形状记忆聚合物只能在一个方向上“弹回”。

但形状记忆聚合物远不止是玩具。从很多方面来说，它们已经改变了我们周围的世界。一些电线有形状记忆涂层，可以收缩，使电线绝缘性更好。织物中的形状记忆聚合物可以使织物在炎热时更透气，在寒冷时更防水。

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研究人员还致力于在医院中部署形状记忆聚合物，用于诸如可插入动脉然后扩张的自缝合缝合线和支架之类的物品，有助于增加血流量。

尼克扎德和她的同事对将形状记忆聚合物应用于机器人尤其感兴趣。通过用它们制造人造肌肉，他们可以制造出不需要机械或执行器等重型机构就能移动的机械臂。

“但主要的障碍之一，”尼克扎德说，“就是材料本质上不够坚固。”

工程师可以使用形状记忆聚合物制造比机械手臂更轻、更灵活的机械臂，但它无法承受太多重量，否则会断裂和散架。而且恢复到原始状态的形状记忆聚合物无法提供足够的力来移动或举起物体。

可以制造出更强的形状记忆聚合物，但有一个缺点：它们只能在太短的长度上起作用，而对于大多数机器人来说，这太短了。想象一下霸王龙小手臂的高科技版本。

斯坦福研究小组想看看他们能否解决这个难题。他们与斯坦福研究生 Christopher Cooper（该论文的另一位第一作者）等化学家合作，采用一种名为 PPG 的现有聚合物（目前用于涂饰皮革和制造彩弹）并修改其原子结构，以帮助其原子形成更好的键，从而创造出一种全新的分子。

尼卡扎德说：“这就是普通的有机化学。”

测试后，他们发现他们创造了一种新材料，这种材料能够储存的能量是之前任何形状记忆聚合物的六倍。用这种材料制成的塑料肌肉可以举起自身重量 5,000 倍的物体——而且价格并不昂贵：原材料每磅约 11 美元。

“这些研究人员能够做的就是克服这种权衡，”詹姆斯说。

研究人员希望继续研究他们的材料。例如，他们的聚合物的形状记忆效应仅在一个方向上起作用。他们认为他们可以改进这一点。“例如，你可以制造出一种加热后会伸展，然后冷却并收缩的东西，”尼克扎德说。无论你加热或冷却多少次，这个过程都会重复。

当然，这可以制造出更坚固、更轻便的机器人。除此之外，詹姆斯表示，由于形状记忆聚合物的应用范围十分广泛，斯坦福大学研究小组的新材料的应用范围远不止机器人。