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  對于絕大多數(shù)傳統(tǒng)材料，其電導(dǎo)率和機械剛度等物理性能往往是固定不變的。然而如今越來越多的智能化應(yīng)用場景，例如柔性機器人和可穿戴電子設(shè)備，需要一種可根據(jù)環(huán)境變化主動調(diào)節(jié)物理性能的智能材料。近年來，具有可切換電導(dǎo)率的材料已廣泛用于智能開關(guān)，憶阻器，和可重構(gòu)電子器件中。同樣的，擁有可調(diào)節(jié)機械剛度的材料也在軟體機器人，醫(yī)療手術(shù)設(shè)備和汽車工程領(lǐng)域嶄露頭角。

  由低熔點合金和彈性聚合物組成的復(fù)合材料是當(dāng)前最為廣泛采用的一種可調(diào)節(jié)機電性能材料。這種材料由導(dǎo)電的低熔點合金和絕緣聚合物基體組成，兼具了導(dǎo)體的導(dǎo)電性與彈性體的柔韌性。通過在室溫附近融化/凝固合金填料，復(fù)合材料可以實現(xiàn)軟/硬和導(dǎo)電/絕緣之間的切換。然而，現(xiàn)有的此類材料無法協(xié)同利用可變的電氣和機械特性，往往需要外部控制裝置來調(diào)節(jié)溫度而不能自主響應(yīng)壓力或變形等環(huán)境變化。此外，這些材料只能在絕緣體和導(dǎo)體間切換而不能實現(xiàn)電阻的連續(xù)調(diào)節(jié)。

圖1 FMHE的微觀結(jié)構(gòu)

圖2 FMHE的可變電學(xué)性能

  歸功于不規(guī)則鎳顆粒和FM顆粒形成的多填料導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，FMHE在室溫下的電導(dǎo)率可在包括壓縮和拉伸在內(nèi)的機械載荷下指數(shù)增強一百萬倍（圖2）。由于復(fù)合材料的正泊松比（約0.4），其在任意載荷下都會沿某個方向被壓縮。在此過程中，FM顆粒和鎳顆粒沿壓縮方向相互擠壓以形成更多導(dǎo)電通路；鎳顆粒表面的納米突刺結(jié)構(gòu)（見圖1電子顯微鏡圖）進一步為它們提供了更多的接觸機會，使得材料的電阻率急劇下降。

圖3 FMHE的可調(diào)節(jié)機械性能

圖4 FMHE的自觸發(fā)剛度調(diào)節(jié)

圖5 基于FMHE開發(fā)的變剛度補償器

圖6 基于FMHE開發(fā)的可復(fù)用保險絲

  基于這種材料，本工作還展示了一種可重復(fù)使用的限流低溫保險絲，其主體為嵌在貼有電極的凹槽中被預(yù)壓縮的FMHE塊（圖6）。保險絲在升溫-降溫循環(huán)中的電阻變化如圖所示，在從室溫加熱至66℃時其電阻可增加1000倍。通過調(diào)節(jié)FMHE的壓縮量，保險絲可實現(xiàn)0.1 ~ 10 A的可調(diào)節(jié)熔斷電流。當(dāng)電路電流達到預(yù)設(shè)的熔斷電流后，保險絲可在0.1秒內(nèi)被加熱以切斷電路，并在10秒內(nèi)自動恢復(fù)至可用狀態(tài)。循環(huán)測試顯示了FMHE自恢復(fù)保險絲的快速響應(yīng)和恢復(fù)速度以及出色的循環(huán)穩(wěn)定性。與商用可復(fù)用保險絲相比，它具有更緊湊的結(jié)構(gòu)（<1 mm），更低的熔斷溫度（66℃），以及更快的熔斷和恢復(fù)速度。這種可響應(yīng)環(huán)境變化的智能材料實現(xiàn)了可調(diào)節(jié)電氣和機械性能的協(xié)同利用，充分展現(xiàn)了它為下一代軟體機器人和電子設(shè)備帶來革命性改變的潛力。

  文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf1141 

作者簡介

贠國霖博士于2017年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（USTC），獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2021年在李衛(wèi)華教授指導(dǎo)下畢業(yè)于澳大利亞伍倫貢大學(xué)（UOW），獲博士學(xué)位，之后在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張世武教授領(lǐng)導(dǎo)的仿生機器人實驗室任博士后研究員。目前作為英國皇家學(xué)會牛頓國際學(xué)者 (Royal Society Newton International Fellow)，在英國劍橋大學(xué)Tawfique Hasan教授領(lǐng)導(dǎo)的納米工程實驗室從事博士后研究。他的研究方向主要包括液態(tài)金屬，導(dǎo)電復(fù)合材料以及它們在柔性傳感器，3D打印柔性電子器件和可拉伸和可穿戴電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。