对于绝大多数传统材料，其电导率和机械刚度等物理性能往往是固定不变的。然而如今越来越多的智能化应用场景，例如柔性机器人和可穿戴电子设备，需要一种可根据环境变化主动调节物理性能的智能材料。近年来，具有可切换电导率的材料已广泛用于智能开关，忆阻器，和可重构电子器件中。同样的，拥有可调节机械刚度的材料也在软体机器人，医疗手术设备和汽车工程领域崭露头角。

  由低熔点合金和弹性聚合物组成的复合材料是当前最为广泛采用的一种可调节机电性能材料。这种材料由导电的低熔点合金和绝缘聚合物基体组成，兼具了导体的导电性与弹性体的柔韧性。通过在室温附近融化/凝固合金填料，复合材料可以实现软/硬和导电/绝缘之间的切换。然而，现有的此类材料无法协同利用可变的电气和机械特性，往往需要外部控制装置来调节温度而不能自主响应压力或变形等环境变化。此外，这些材料只能在绝缘体和导体间切换而不能实现电阻的连续调节。

图1 FMHE的微观结构

图2 FMHE的可变电学性能

  归功于不规则镍颗粒和FM颗粒形成的多填料导电网络，FMHE在室温下的电导率可在包括压缩和拉伸在内的机械载荷下指数增强一百万倍（图2）。由于复合材料的正泊松比（约0.4），其在任意载荷下都会沿某个方向被压缩。在此过程中，FM颗粒和镍颗粒沿压缩方向相互挤压以形成更多导电通路；镍颗粒表面的纳米突刺结构（见图1电子显微镜图）进一步为它们提供了更多的接触机会，使得材料的电阻率急剧下降。

图3 FMHE的可调节机械性能

图4 FMHE的自触发刚度调节

图5 基于FMHE开发的变刚度补偿器

图6 基于FMHE开发的可复用保险丝

  基于这种材料，本工作还展示了一种可重复使用的限流低温保险丝，其主体为嵌在贴有电极的凹槽中被预压缩的FMHE块（图6）。保险丝在升温-降温循环中的电阻变化如图所示，在从室温加热至66℃时其电阻可增加1000倍。通过调节FMHE的压缩量，保险丝可实现0.1 ~ 10 A的可调节熔断电流。当电路电流达到预设的熔断电流后，保险丝可在0.1秒内被加热以切断电路，并在10秒内自动恢复至可用状态。循环测试显示了FMHE自恢复保险丝的快速响应和恢复速度以及出色的循环稳定性。与商用可复用保险丝相比，它具有更紧凑的结构（<1 mm），更低的熔断温度（66℃），以及更快的熔断和恢复速度。这种可响应环境变化的智能材料实现了可调节电气和机械性能的协同利用，充分展现了它为下一代软体机器人和电子设备带来革命性改变的潜力。

  文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf1141 

作者简介

贠国霖博士于2017年毕业于中国科学技术大学（USTC），获理学学士学位，2021年在李卫华教授指导下毕业于澳大利亚伍伦贡大学（UOW），获博士学位，之后在中国科学技术大学张世武教授领导的仿生机器人实验室任博士后研究员。目前作为英国皇家学会牛顿国际学者 (Royal Society Newton International Fellow)，在英国剑桥大学Tawfique Hasan教授领导的纳米工程实验室从事博士后研究。他的研究方向主要包括液态金属，导电复合材料以及它们在柔性传感器，3D打印柔性电子器件和可拉伸和可穿戴电子产品中的应用。