科学家研制超高压电陶瓷，让微型机器人肌肉更强、VR触感更逼真
近日，甬江实验室任晓兵教授团队研发出一种超级压电陶瓷，开创了主动压电器件新范式，让材料稳定工作在“性能珠峰”[1]。该团队将多晶陶瓷的压电系数 d₃₃ 提升至约 6,850pC/N，较商用 PZT 陶瓷高 10-30 倍，也优于昂贵的弛豫铁电单晶 2-4 倍，成功突破了困扰领域七十余年的性能瓶颈。
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更值得关注的是，通过主动模式设计，该超级压电陶瓷的超强性能可在室温至 350℃的宽温区间内持续保持稳定，完全不受外界温度变化的影响。
（来源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec5660）
这一性能突破，为诸多前沿领域的技术升级开辟了新路径：昆虫级微型机器人可凭借其获得更强的驱动“肌肉”和更敏锐的传感“触觉”，从而完成更复杂的任务。虚拟现实、增强现实设备可以通过它实现更逼真、更细腻的触觉反馈，让虚拟世界的触感体验成为现实。
图 | 任晓兵（来源：受访者）
陶瓷超能力来自一个神奇的点
压电材料是现代功能材料中至关重要的一类，已深入日常生活与高科技领域。例如，手机的指纹识别、汽车倒车雷达与泊车辅助系统中的距离传感、乃至光刻机中纳米级精度的位移控制，都依赖于压电材料。
它既能作为传感器将力学信号转换为电信号，也能作为驱动器将电能转化为精准的机械运动。全球压电器件产业规模已达数百亿美元，且随着智能化时代的到来，其作为物理世界与数字世界接口的角色愈发关键。
一直以来，人们都想让这种材料变得更强和更灵敏，但是遇到了两大难题：一是材料本身的压电效应十分微弱；二是做成实用的多晶陶瓷之后，内部大量电偶极子的取向紊乱，很难让它们的力量完全一致对外，导致整体性能大打折扣。
这次，该团队换了一个思路：不再和材料本身的脾气硬碰硬，而是给其创造一个能够完美发挥的工作环境。他们在传统锆钛酸铅压电陶瓷中找到了一个在温度和在成分相图上极为特殊的点——四相点。这是一个热力学上的奇点，在这个点上，材料的四种不同晶体结构（立方、四方、单斜、菱方）可以和平共存，达到了一个热力学上的临界状态，就像让水、冰、水蒸气同时稳定存在一样。
只找到这个点还不够，因为这个状态一般很不稳定，只有在特定的高温下才会瞬间出现。为此，他们想到了一个称作主动模式的控制方法。他们为这块陶瓷量身打造了一个“智能工作舱”。
这个工作舱里有一个微型恒温器，无论外界是冷是热，它都能把陶瓷内部的温度精确维持在 350 ℃这个四相点温度上。同时，还给陶瓷加上一个稳定的微小直流电场，让陶瓷内部所有电偶极子的取向保持一致。
借助这一设计，陶瓷就始终被锁定在性能峰值的奇异状态。团队还特制了隔热连杆，既能让工作舱内的机械动作几乎无损耗地向外传递，满足驱动与感知的实际应用需求，又能彻底隔绝外界温度变化对舱内的影响。在“智能工作舱”的加持下，这款陶瓷的压电性能实现了质的飞跃。
（来源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec5660）
采访中，任晓兵还展示了一个形象的 3D 打印地形模型，生动诠释了压电材料的发展历程：1880 年发现的石英等初代压电材料如海边沙地（d₃₃<10 pC/N）；1950 年代 PZT 陶瓷的发现如同发现了一座高山脚下的山脊，实现了十倍提升（d₃₃~200-600 pC/N）；而过去七十多年，人们一直在这座高山的山脊上艰难攀爬，无法突破上方因材料死亡而形成的无形屏障；直到本次工作，通过主动模式装备，终于登上了那座理论预言已久、但从未有人抵达的性能“珠峰”。
目前，基于主动模式设计的超级压电陶瓷原型装置，在微型化方面仍有提升空间；未来随着集成技术的不断进步，其体积可缩小至米粒级，从而实现各类设备的嵌入式集成应用。如同当下电子器件中广泛应用的恒温晶振一般，未来这款主动模式的超级压电陶瓷，有望成为高端精密设备的核心元件。
图 | 团队合影（来源：受访者）
总的来说，这项研究不仅实现了压电材料性能的历史性突破，更提供了一种从优化材料到创造最佳工作环境的创新研发范式，其影响力有望辐射至众多功能材料与器件领域。甬江实验室郝彦双研究员、日本 NIMS 的 Dipak Kumar Khatua 博士、西安交通大学王栋教授和高景晖教授为共同第一作者；甬江实验室任晓兵研究员、任帅研究员与西安交通大学杨阳副教授为共同通讯作者。
参考资料：
1.https://mp.weixin.qq.com/s/7K5zvsVna_fUnu-_MnBmmQ
相关论文 https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec5660
运营/排版：何晨龙
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