韓國開發(fā)出用于下一代機器人的快速可逆智能致動器，無需電機

這種混合致動器結合了形狀記憶合金與形狀記憶聚合物，克服了恢復緩慢和單向限制，實現(xiàn)了精確、可重復的形狀變化。

韓國研究人員公布了一項智能材料領域的突破性成果，該成果有望改變航天、機器人及可展開結構等領域。

韓國科學技術院（KAIST）的一個研究團隊開發(fā)出了一種雙向形狀記憶混合致動器，該致動器無需依賴傳統(tǒng)電機，即可實現(xiàn)快速可逆的運動。

與通常笨重且機械結構復雜的傳統(tǒng)系統(tǒng)不同，這種輕質(zhì)材料能對熱等外部刺激做出響應。

據(jù)研究人員稱，他們的設計使該材料能在不到一秒的時間內(nèi)改變形狀并恢復到原始形態(tài)，這為高效、下一代驅動技術開辟了新的可能性。

可逆形狀致動器

形狀記憶材料（SMM）正逐漸成為傳統(tǒng)電機驅動系統(tǒng)的有前景的替代方案，特別是在對減輕重量和降低復雜性至關重要的航空航天和機器人領域。

這些材料能響應熱或電等外部刺激而改變形狀，從而提供更高效、更緊湊的驅動方式。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)形狀記憶材料都受限于單向、不可逆的運動，這使得重復使用變得困難，并降低了其在動態(tài)應用中的實用性。

為實現(xiàn)可逆的雙向驅動，研究人員已開發(fā)出諸如半結晶網(wǎng)絡和液晶彈性體等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)依賴于在施加應力下的結構排列。雖然像互穿聚合物網(wǎng)絡這類較新的無應力方法能實現(xiàn)可逆運動，但它們通常缺乏要求苛刻的結構應用所需的機械強度。

為應對這些挑戰(zhàn)，研究人員設計了一種混合復合致動器，它將形狀記憶合金（SMA）與形狀記憶聚合物（SMP）結合在一起。形狀記憶合金提供可靠的熱恢復能力，而形狀記憶聚合物則提供靈活、可響應刺激的形變能力。該團隊通過改變形狀記憶聚合物的化學組成并加入碳纖維進行增強，進一步提升了其性能，增加了剛度和耐久性。

此外，設計中還融入了一種受卷尺彈簧啟發(fā)的結構，實現(xiàn)了一種“突跳”機制。這使得變形過程中儲存的能量能夠快速釋放，從而實現(xiàn)更快的驅動速度和更高的精度。這些創(chuàng)新共同實現(xiàn)了連貫、可重復的運動，使該致動器非常適合先進的工程應用和下一代機器人系統(tǒng)。

先進機器人材料

這種新設計的致動器實現(xiàn)了完整的雙向運動，加熱時彎曲，冷卻時恢復到平坦狀態(tài)。

研究人員強調(diào)，該致動器的變形范圍顯著更大，形狀恢復率接近100%，同時其工作速度達到亞秒級。該致動器的可逆變形范圍是傳統(tǒng)材料的8.6倍，反向恢復速度是傳統(tǒng)材料的4.9倍。

該致動器在重復循環(huán)中能保持一致的性能，無需復雜的控制系統(tǒng)，這解決了傳統(tǒng)形狀記憶材料長期存在的局限性。這種速度、精度和耐用性的結合，標志著向實際應用邁出了重要一步。

該研究團隊聲稱，這項技術可應用于多個領域，包括需要重復運動的機器人抓手，以及對輕量級、可靠驅動系統(tǒng)至關重要的太空任務可展開結構。

該研究的負責人、韓國科學技術院機械工程系的金成秀教授在發(fā)布的一份聲明中表示：“這項研究通過原創(chuàng)性的結構設計，克服了材料的物理限制，將形狀記憶致動器的性能提升到了一個新的水平?！?/p>

該論文發(fā)表于《先進功能材料》期刊。

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