智能材料是能夠響應特定外部刺激（例如溫度、濕度、光線或施加的應力）改變其特性的材料。智能材料最著名的例子之一是形狀記憶合金（SMA），它是一種金屬材料，可以根據溫度變化改變其形狀。
智能材料的另一個例子包括壓電材料，其響應施加的機械應力產生電荷。智能材料具有廣泛的潛在應用，包括航空航天、汽車、機器人、製造和生物醫學工程。
可變剛度材料是一種智能材料，能夠根據外部刺激調整其剛度或抗變形能力。該特性使材料能夠適應不斷變化的條件並提高在各種環境中的性能。
可變剛度材料的主要優點之一是它們可以提高機械系統的效率、安全性和可靠性。例如，可變剛度材料可用於製造能夠適應不同物體和環境的機械臂和抓手。這允許機械臂或抓手處理一系列具有不同形狀、大小和重量的不同物體，這可以降低複雜性並提高機器人系統的整體效率。
具有可調機電性能的創新智能材料正在徹底改變製造、可穿戴設備和機器人領域。然而，迄今為止，尚未實現一種能夠智能地自我調整其電氣和機械性能以響應環境變化的材料，並在沒有外部控制的情況下協同利用改變的性能。
為了填補這一空白，由伯明罕大學的Shiyang Tang博士領導的合作研究團隊與中國科學技術大學，劍橋大學和臥龍崗大學的合作者一起，開發了一種名為Field的金屬混合填料彈性體（FMHE）的智能材料。FMHE包括Field金屬（一種無毒的低熔點合金）和嵌入彈性體基體中的加標鎳微粒的混合材料。
這項研究在他們最近發表在《科學進展》上的論文中得到了報導。
圖 1.FMHE的微觀結構及其兩種應用。
(A）成分的3D示意圖和顯示FMHE表面結構的光學顯微鏡圖像。
(B） FMHE橫截面的SEM和EDS圖像3樣本。Ni和FM顆粒的分布;PDMS由其Ni，In和Si的特徵元素表示。插圖顯示了加標鎳顆粒的特寫 SEM 圖像。
(C） 安裝在機器人機械手上的FMHE可變剛度補償單元（以綠色突出顯示）。
(D） FMHE可復位電流熔斷器及其循環運行過程中的電流-時間曲線示意圖。
研究人員創建的FMHE可以響應機械應變和電流，在沒有外部控制的情況下表現出可變且可調的導電性和剛度。場金屬的熔化和凝固使剛度發生變化。FMHE還表現出非常規的負壓阻率和高應變靈敏度，在壓縮和拉伸時電阻率降低數百萬倍。
通過以協同方式利用這些特性，研究人員展示了智能和彈性系統中的兩種應用，與最先進的相比，性能提高了一個數量級以上。第一種應用是自觸發多軸順應性補償器，可以保護機器人機械手免受過度壓縮、彎曲和扭轉運動的影響。
第二種應用是可復位限流保險絲，提供可調節的熔斷電流，在緊湊性、工作電流範圍和響應速度方面明顯優於商業產品。
「我很高興我們的實驗和模擬揭示了負壓阻效應背後的機制以及這種智能材料的可調電導率、應變靈敏度和剛度。我希望這項研究是進一步研究這種新材料家族的開始，它有可能徹底改變智能和彈性機器人和電子產品的發展，「該研究的第一作者郭林雲博士說。
「這些自響應的智能材料不僅提供了節省成本的機會，而且還通過減少對複雜控制系統的需求來提高可靠性，」唐世陽博士說。
這項研究為製造、機器人和電子領域提供了重要價值，可能導致具有增強性能和功能的機電系統的發展。
圖 2.FMHE的電氣特性。
（A）FMHE的電阻率-應變曲線0及 （B） FMHE3在 25° 和 80°C 下。 應變的負值表示壓縮。（C） 比較FMHE填料網絡變化的說明性示意圖3在25°和80°C下壓縮15%。 （D）FMHE電位分布的仿真結果3在不同的溫度下。較大的電位降（紅色）對應於更高的電阻。（五）FMHE電阻率-應變曲線的數值模擬3在 25° 和 80°C 下。 FMHE的電阻-溫度曲線3在 （F） 加熱、（G） 冷卻和 （H） −10% 應變下的加熱-冷卻循環期間，在不同菌株下取樣。
圖 3.FMHE的機械性能。
FMHE的應力-應變曲線3在（A）壓縮和（B）拉伸期間的不同溫度下。（三）FMHE應力分布模擬結果0和FMHE3在 25° 和 80°C 下壓縮 10%。 （D） FMHE 的模擬和 （E） 測量的壓縮模量0和FMHE3在 25° 和 80°C 下。 誤差線的值是五次測量下模量的SD。（F）FMHE的可變剛度應力-應變曲線3壓縮期間由固定電壓供電。FMHE的電流-應變和溫度-應變曲線3壓縮期間由固定電壓供電，具有不同的電壓和壓縮速度（G）3 V和6%最小值−1和 （H） 5 V 和 12% 最小值−1.藍色和紅色陰影區域分別對應於FM的凝固和熔化狀態。
圖 4.基於FMHE的自感應可變剛度順應補償器3.
（A）FMHE補償單元的原理圖和光學圖像。（B）配備補償器的伺服電機驅動機械手的照片。（C）壓縮過程中補償單元在不同溫度下的力距曲線。（四）彎曲時補償單元在不同溫度下的彎矩度曲線。（E和F）數字伺服電機的扭矩時間和電流時間曲線，當機械手卡住時，數字伺服電機驅動配備有補償單元的機器人機械手;該裝置由 （E） 0V 和 （F） 5V 電壓供電。藍色和紅色陰影區域分別對應於正常運行和阻塞轉子狀態（伺服電機因扭矩過大而阻塞）。插圖顯示了彎曲補償單元的照片。（G）不同溫度下熱致變色彈性體封裝的FMHE補償器的照片。比例尺，1厘米。
圖 5.基於FMHE的可復位限流保險絲3.
（A） FMHE可復位保險絲示意圖。（B） FMHE熔斷器在加熱-冷卻循環中的電阻-溫度曲線。（C） FMHE熔斷器在運行期間/伺服電機阻塞後的電流-時間和溫度-時間曲線。第四個插圖顯示了沒有封裝層的FMHE保險絲的照片。（D） 裝有FMHE保險絲的伺服電機和商用PPTC保險絲在伺服電機被堵塞後的電流時間和（E）外殼溫度-時間曲線。（F） 循環熔斷試驗期間FMHE熔斷器的電流和溫度與時間的關係圖。（C） 和 （F） 中的藍色、紅色和灰色陰影區域分別對應於正常工作、轉子阻塞和熔斷保險絲狀態。