一種新型鐵電聚合物非常擅長將電能轉化為機械應變，有望成為高性能運動控制器或“執行器”，予機在醫療設備、器人先進機器人和精密儀器領域具有巨大的肌肉應用潛力賓夕法尼亞州立大學領導的一個國際研究小組表示，定位系統。新型
機械應變，鐵電即材料在受力時如何改變形狀，材料是可賦致動器的一個重要屬性，致動器是予機在施加外力(例如電能)時會發生變化或變形的任何材料。傳統上，器人這些執行器材料是肌肉剛性的，但鐵電聚合物等軟執行器表現出更高的新型靈活性和環境適應性。
該研究證明了鐵電聚合物納米復合材料克服傳統壓電聚合物復合材料局限性的潛力，為開發具有增強應變性能和機械能密度的軟執行器提供了一條有前途的途徑。軟執行器因其強度、功率和靈活性而特別受到機器人研究人員的關注。
賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程教授、最近發表在《自然材料》上的這項研究的共同通訊作者清王說：“我們現在有可能擁有一種我們稱之為人造肌肉的軟機器人。 ” “這將使我們能夠擁有除了大應變之外還可以承載高負載的軟物質。因此，這種材料將更像是人類肌肉的模仿者，一種接近人類肌肉的材料。”
然而，在這些材料實現其承諾之前，還有一些障礙需要克服，研究中提出了這些障礙的潛在解決方案。鐵電體是一類材料，當施加外部電荷并且材料中的正電荷和負電荷流向不同的極時，它們表現出自發電極化。這些材料在相變過程中的應變(在這種情況下是電能向機械能的轉換)可以完全改變其形狀等特性，使它們可用作執行器。
鐵電致動器的常見應用是噴墨打印機，其中電荷改變致動器的形狀，以精確控制將墨水沉積在紙張上以形成文本和圖像的微小噴嘴。
雖然許多鐵電材料是陶瓷，但它們也可以是聚合物，這是一類由許多類似單元粘合在一起制成的天然和合成材料。例如，DNA 是聚合物，尼龍也是聚合物。鐵電聚合物的一個優點是它們表現出驅動所需的大量電場感應應變。該應變遠高于用于執行器的其他鐵電材料(例如陶瓷)產生的應變。
鐵電材料的這種特性，以及高水平的靈活性、與其他鐵電材料相比降低的成本以及低重量，引起了不斷發展的軟機器人領域、具有柔性部件和電子設備的機器人設計領域的研究人員的極大興趣。
王說：“在這項研究中，我們針對軟材料驅動領域的兩大挑戰提出了解決方案。其中一個是如何提高軟材料的力。我們知道聚合物軟驅動材料具有最大的應變，但與壓電陶瓷相比，它們產生的力要小得多。”
第二個挑戰是鐵電聚合物致動器通常需要非常高的驅動場，這是一種在系統中施加變化的力，例如致動器的形狀變化。在這種情況下，需要高驅動場才能在聚合物中產生形狀變化，這是成為致動器所需的鐵電反應所需的。
提高鐵電聚合物性能的解決方案是開發一種滲透性鐵電聚合物納米復合材料——一種附著在聚合物上的微觀貼紙。通過將納米粒子摻入一種聚合物聚偏二氟乙烯中，研究人員在聚合物內創建了一個互連的磁極網絡。
該網絡使得能夠在比通常需要的低得多的電場下引發鐵電相變。這是通過使用焦耳加熱的電熱方法實現的，當電流通過導體產生熱量時就會發生焦耳加熱。使用焦耳熱誘導納米復合聚合物發生相變，只需要鐵電相變通常所需電場強度的 10% 以下。
“通常情況下，鐵電材料中的應變和力是相互關聯的，呈反比關系，”王說。“現在我們可以將它們集成到一種材料中，并且我們開發了一種使用焦耳熱來驅動它的新方法。由于驅動場將低得多，低于 10%，這就是為什么這種新材料可用于許多需要低驅動場才能有效的應用，例如醫療設備、光學設備和軟機器人。”
與王一起參與這項研究的其他研究人員包括賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程博士后學者周耀 (Yao Zhou);楊天南，材料研究所助理研究員;陳鑫，材料科學與工程博士后研究員;李莉，材料科學與工程研究助理;韓祝兵，材料科學與工程研究生助理;王科，材料研究所副研究員;陳龍慶，哈默材料科學與工程教授。參與這項研究的其他研究人員包括來自北卡羅來納州立大學的物理學研究生助理秦漢成;張冰，物理學研究生;陸文昌，物理學研究教授;和杰里·伯恩霍爾克(Jerry Bernholc)，德雷克塞爾物理學教授。
