韩国科学技术院（KAIST）的研究团队最近在国际材料科学领域最高层次期刊之一《Advanced Functional Materials》（中文名：《先进功能材料》）上发表了一项突破性研究，成功开发出一种全新的双向形状记忆合金/聚合物复合材料（SMA/SMPC）混合智能执行器。

这项研究中的新型执行器实现了82%的可逆恢复率和140°（88.7毫米）的可逆变形范围，这一性能指标远超现有技术水平。

传统的形状记忆材料虽然在机器人、航空航天等领域有着广阔应用前景，但普遍存在一个致命缺陷：只能实现单向不可逆变形。每次使用后都需要重新编程才能再次使用，这极大限制了其在需要重复执行任务场景中的应用。

研究团队通过材料改性和结构优化的双重策略，成功解决了这一难题。他们首先通过调节环氧树脂基体中DGEBA（双酚A二缩水甘油醚）和DDM（4,4'-二氨基二苯甲烷）的化学计量比，精确控制了形状记忆聚合物的玻璃化转变温度。同时引入连续碳纤维增强材料，大幅提升了复合材料的弹性模量。

01.

创新性"卷簧"结构设计实现超快响应

这项研究最具创新性的突破在于引入了横向曲率的结构设计，形成了独特的"卷簧"（tape-spring）形状。这种设计能够产生突跳（snap-through）效应，显著提升了执行器的性能。

有限元仿真结果清晰展示了这种设计的优势。普通平板结构在弯曲过程中，弯矩随弯曲角度线性增加。而卷簧结构由于横向曲率的存在，初始阶段表现出更高的有效弯曲刚度。当变形达到峰值弯矩后，结构会发生突跳，所需弯矩急剧下降，使得后续变形能够快速完成。

实验数据充分验证了这一理论预测。采用卷簧设计的TS_20执行器，正向恢复速度达到了平板结构的7.8倍，反向恢复速度提升了30%。更关键的是，TS_20在整个热循环过程中实现了接近100%的反向恢复率，而平板结构仅为81.7%。

研究团队对比了不同永久弯曲半径的SMA对执行器性能的影响。结果表明，将SMA的永久弯曲半径从25毫米减小到20毫米，可逆变形范围分别提升了37.5%和45.0%。这是因为较小的弯曲半径能够在SMA中存储更多的应变能。

02.

展现卓越应用潜力和耐久性

为了验证新型执行器的实用性，研究团队展示了两个典型应用场景。

在机器人夹爪应用中，执行器能够在一秒内完成抓取动作，通过简单的加热和冷却循环实现物体的抓取、拖动、推动和释放。相比传统的气动、电磁或电机驱动系统，这种基于形状记忆效应的执行器结构更简单、重量更轻。

在航天可展开结构应用中，执行器展现出独特优势。通过形状编程过程，执行器可以在低温下保持收纳状态，需要时通过一个加热-冷却循环即可完成展开。更重要的是，这种双向可逆特性使得结构能够重新收纳，便于任务调整或完成后的回收。

耐久性测试进一步证实了执行器的可靠性。在连续10个热循环测试中，执行器保持了稳定的形状记忆性能，平均正向恢复率为80%，反向恢复率超过99%，反向恢复速度为0.48毫米/秒。虽然在第9个循环时反向恢复率略有下降2.3%，但整体性能保持良好，可逆变形量仍达85毫米。

这项研究的意义不仅在于性能指标的大幅提升。通过巧妙的材料设计和结构创新，研究团队成功打破了形状记忆材料在机械性能和可逆性之间的固有权衡关系。与现有技术相比，新型执行器的可逆恢复率提升至82%，可逆变形范围达到140°，这些指标均处于国际领先水平。

论文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202528863