據賓夕法尼亞州立大學領導的一個國際研究小組稱，一種新型鐵電聚合物特別善於將電能轉化為機械應變，有望成為高性能運動控制器或”致動器”，在醫療設備、先進機器人技術和精密定位系統中具有巨大的應用潛力。

圖為由焦耳加熱驅動的鐵電聚合物的驅動力

機械應變，即材料在受力時如何改變形狀，是執行器的一個重要屬性，執行器是指在施加電能等外力時將改變或變形的任何材料。傳統上，這些執行器材料是剛性的，但軟性執行器，如鐵電聚合物，顯示出更高的靈活性和環境適應性。

研究表明，鐵電聚合物納米複合材料有可能克服傳統壓電聚合物複合材料的局限性，為開發具有更強應變性能和機械能量密度的軟執行器提供了一條有希望的途徑。由於軟執行器的強度、功率和靈活性，機器人研究人員對其特別感興趣。

賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程系教授、最近發表在《自然-材料》雜誌上的研究報告的共同通訊作者Qing Wang說：”我們現在有可能擁有一種軟體機器人，我們稱之為人工肌肉。這將使我們能夠擁有軟性物質，除了大的應變外，還能承載高負荷。因此，這種材料就會更多地模仿人類肌肉，一種接近人類肌肉的材料。”

然而，在這些材料能夠實現其承諾之前，還有一些障礙需要克服，研究報告中提出了解決這些障礙的潛在方案。鐵電體是一類材料，當施加外部電荷，材料中的正負電荷走向不同的極點時，會表現出自發的電極化。這些材料在相變過程中的應變，在這種情況下，將電能轉換為機械能，可以完全改變其形狀等屬性，使其成為有用的執行器。

鐵電致動器的一個常見應用是噴墨打印機，電荷改變致動器的形狀，以精確控制在紙上沉積墨水的微小噴嘴，形成文字和圖像。

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的天然和合成材料。例如，DNA是一種聚合物，尼龍也是如此。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誘導的應變。這種應變遠遠高於其他用於執行器的鐵電材料所產生的應變，如陶瓷。

鐵電材料的這一特性，以及高度的靈活性、與其他鐵電材料相比成本的降低和低重量，對日益增長的軟體機器人領域的研究人員有著極大的興趣，軟體機器人是指具有柔性部件和電子器件的機器人設計。

Wang說：”在這項研究中，我們為軟材料驅動領域的兩個主要挑戰提出了解決方案。一個是如何提高軟材料的力。我們知道作為聚合物的軟驅動材料具有最大的應變能力，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一個非常高的驅動場，這是一個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，高驅動場對於在聚合物中產生成為致動器所需的鐵電反應的形狀變化是必要的。

為改善鐵電聚合物的性能而提出的解決方案是開發一種滲流式鐵電聚合物納米複合材料–一種附著在聚合物上的微觀貼紙。通過將納米顆粒納入一種聚合物–聚偏二氟乙烯，研究人員在聚合物內創建了一個相互連接的極點網絡。

這個網絡使鐵電相變能夠在比通常所需的低得多的電場下被誘導出來。這是通過使用焦耳加熱的電熱方法實現的，當電流通過導體時，會產生熱量。使用焦耳加熱來誘導納米複合聚合物的相變，結果只需要不到鐵電相變通常需要的電場強度的10%。

通常情況下，鐵電材料中的這種應變和力是相互關聯的，呈反比關係。現在研究人員可以把它們整合到一種材料中，利用焦耳加熱來驅動它。由於驅動場要低得多，不到10%，這就是為什麼這種新材料可以用於許多需要低驅動場才能有效的應用，如醫療設備、光學設備和軟機器人。