想象一下，一个机械臂不需要任何机械装置就能移动，或者手术工具可以在体内膨胀或重塑。虽然这听起来很奇怪也很奇妙，但它们实际上已经存在了。
这些奇特的工具都依赖于形状记忆聚合物，这是一类能够自我变形的材料。现在，斯坦福大学的研究人员制造了一种形状记忆聚合物，它比以往任何同类产品都更强大、功能更强大。他们 上周在《美国化学学会中心科学》杂志上发表了他们的研究成果。
“形状记忆聚合物已经在我们的生活中商业化了一段时间，”斯坦福大学研究生、该论文的共同第一作者之一Shayla Nikzad说道。
聚合物是一种非常长的分子，由许多连接在一起的更小分子构成一条巨大的链。认为聚合物主宰着我们的世界并不夸张。你细胞背后的DNA就是一种聚合物；丝绸和明胶也由聚合物组成。在日常生活中，你很可能会遇到构成塑料和合成橡胶的人造聚合物。
形状记忆聚合物是一种非常特殊的聚合物。当你弯曲它们时，聚合物中的分子会形成一些特殊的键。当你用某种刺激——光、电，或者最常见的温度变化——作用于它们时，这些键就会断裂，并将聚合物弹回其原始状态。
换句话说，形状记忆聚合物会“记住”它们的原始形状，并可以重塑回原来的形状。许多工程师发现这种能力难以抗拒。
“所以我们可以利用形状记忆聚合物来制造一个……能够改变形状而无需实际拉伸或牵引的装置，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校航空航天工程教授Kai James表示，他不是该论文的作者。
如果你玩过Shrinky Dink，你就已经 亲眼见过 形状记忆聚合物的运作方式。当你把它放进烤箱时，它会收缩并变硬。当然，在那之后你很难撤销Shrinky Dink；事实上，许多形状记忆聚合物只朝一个方向“弹回”。
但形状记忆聚合物远不止是玩具。在很多方面，它们 已经在塑造 我们周围的世界。一些电线具有形状记忆涂层，可以收缩以提供更好的绝缘。织物中的形状记忆聚合物可以在热时使其更透气，在冷时使其更防水。
研究人员还在医院部署形状记忆聚合物，用于 自缝合的缝线 和可以适应动脉并扩张以帮助增加血流量的 支架。
Nikzad和她的同事尤其对将形状记忆聚合物用于机器人感兴趣。通过用它们制造人造肌肉，他们可以制造出无需沉重的机械装置（如机械或执行器）即可移动的机械臂。
“但主要的障碍之一，”Nikzad说道，“就是这些材料本质上不够坚固。”
工程师可以使用形状记忆聚合物来制造比其机械对应物更轻、更灵活的机械臂，但它承载能力不足，容易断裂和散架。而形状记忆聚合物恢复到原始状态时提供的用于移动或提升物体的力非常小。
可以制造更强的形状记忆聚合物，但有一个取舍：它们的动作范围太短，不适合大多数机器人。想象一下 霸王龙 小胳膊的高科技版本。
斯坦福团队想看看他们是否能解决这个难题。他们与斯坦福研究生Christopher Cooper等化学家合作，拿了一种现有的聚合物PPG——今天用于皮革处理和制造彩弹——并修改了它的原子结构，以帮助其原子形成更好的键，从而创造了一种全新的分子。
“这是你们日常的有机化学，”Nikazad说道。
当他们进行测试时，他们发现他们创造出了一种新材料，其能量储存能力是任何先前形状记忆聚合物的六倍。由这种材料制成的一块塑料肌肉可以举起自身重量5000倍的物体——而且价格并不昂贵：原材料成本约为每磅11美元。
“这些研究人员能够克服这个取舍，”James说道。
研究人员希望继续研究他们的材料。例如，他们的聚合物的形状记忆效应只在一个方向上起作用。他们认为他们可以改进这一点。“例如，你可以制造一个会加热并伸展，然后冷却并收缩的东西，”Nikzad说道。无论加热或冷却多少次，这个过程都会重复。
这无疑可以制造出更强、更轻的机器人。此外，据James称，考虑到形状记忆聚合物已经拥有的广泛应用，斯坦福团队的新材料不仅可以用在机器人上，还可以有更多用途。
