人类的历史也是一部使用材料的历史，人类使用材料的阶段从最初的天然材料发展到后来的合成高分子材料，再到后来的人工设计材料直到今天快速发展的第四代材料——智能材料。智能材料是一类可以对外界环境产生响应从而改变自身性能的材料，由于智能材料的这种灵活多变的特性，它们也在智能器件、可穿戴设备、柔性电子等领域有着很多有趣的应用。
智能技术为生活和运动领域带来创新。本研究就是使用电流变弹性体（ERE）这种对电场响应的智能材料，制造了一种拍面软硬可调的智能乒乓球拍。ERE在外加电场下会发生模量也就是软硬程度的变化，打球者用手指轻轻地调节施加在ERE上的电场，就可以改变ERE的软硬程度，进而让乒乓球拍的拍面软硬可调、一拍多用，打出让对手难以预测的球。这种智能乒乓球拍既可以用于专业运动员的非常规技术训练，也可以用于日常娱乐以增加运动的趣味性。
上图就是本研究的基本流程。首先使用PDMS、硅油和巨电流变微纳米颗粒（尿素层包裹的钛氧基草酸钡，BTRU），在模具中加电固化制备了高性能各向异性巨电流变弹性体。加电固化使得介电的巨电流变颗粒在PDMS基体中形成了各向异性结构，颗粒之间排列更加紧密，有利于巨电流变效应的提高。然后，用ERE取代了普通乒乓球拍中的海绵层，并在其两端连接电路，从而实现了电场对拍面软硬程度的调控。之后，在实际使用中，证实了该智能乒乓球拍在改变乒乓球运动轨迹上的有效性。
本研究制备出的高性能各向异性ERE，经过测试，发现其加电后垂直于电场方向的剪切储能模量的变化倍数即相对电流变效应可以高达171.6倍（如下图a所示），远远高于现有的所有ERE。并且在平行于电场的方向上，其压缩模量在加电之后也变化了2.43倍（如下图b所示），同样表现出优于其他ERE的性能。优异的电流变性能使得ERE得以在剪切和压缩两种模式下同时使用，这也是其能用于制造智能乒乓球拍的基础。
下图显示了ERE性能如此优异的原因。图a是ERE前驱体在固化过程中的光学显微图像，可以看出，加电的情况下，BTRU颗粒明显会沿着电场方向排列形成各向异性结构，图b的ERE截面扫描电子显微镜图像也说明了这一点，该种各向异性结构大大提升了其电流变性能。图c的介电谱表明该ERE具有一个较为合适的介电性能，而图d、e、f则表明其具有优秀的时间稳定性和循环使用寿命。
智能乒乓球拍的结构示意图和实物图如下图所示。ERE取代了普通乒乓球拍中的海绵层，乒乓球拍的整体结构由胶皮、柔性电极、ERE、铜电极、木板以及微型加电装置组成。加电装置包含一个微型的升压模块，使用两根普通电池即可提供ERE所需的电压，并且电路中固定了一个开关，可以轻松使用手指操作。
对智能乒乓球拍的基本单元进行了乒乓球垂直下落和发球机斜射实验，发现其有良好的可调性。在发球机斜射实验中，通过控制电场，乒乓球的运动轨迹成功得到改变，其出射角减小了11%，而出射速度增大了2%，达到了预期的效果。使用智能乒乓球拍在真实的场景里打球对战，其有效性也得到了进一步的证实。
该研究作为封面文章发表在国际知名学术期刊 Advanced Materials Technologies 上，题目为“Smart Table Tennis Racket with Tunable Stiffness for Diverse Play Styles and Unconventional Technique Training”，并获得了编辑 Kevin Hurler 以“The future of athletics? Smart ping pong paddles”（体育竞技的未来？智能乒乓球拍）为题在Advanced Science News上的专门和亮点报道。
封面论文
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参考文献：
- Xuefeng Zhou#, Lijuan Wang#, Dongyang Huang#, et al. Smart Table Tennis Racket with Tunable Stiffness for Diverse Play Styles and Unconventional Technique Training. Advanced Materials Technologies.6: 2170056. https://doi.org/10.1002/admt.202170056
