西工大張衛(wèi)紅/港城大呂堅《Sci.Adv.》：電活性界面增強介電彈性體實現(xiàn)超高電吸附力與多功能液滴驅(qū)動

電活性聚合物是一類能夠在電場作用下產(chǎn)生大幅度形變的智能材料，廣泛應(yīng)用于人工肌肉、軟體機器人等前沿領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有的有機硅彈性體通常局限于單一模式驅(qū)動，即當(dāng)前研究主要集中在介電彈性體材料的本征特性上，這嚴(yán)重限制并低估了它們的功能潛力。在實際應(yīng)用中，材料與其周圍環(huán)境之間的"界面相互作用"往往是實現(xiàn)多功能化的關(guān)鍵瓶頸。解決介電彈性體材料與外部物質(zhì)之間的界面相互作用挑戰(zhàn)，關(guān)鍵在于對介電彈性體智能界面特性的深入理解。

由西北工業(yè)大學(xué)、香港城市大學(xué)等單位學(xué)者組成的聯(lián)合團隊，提出了一種創(chuàng)新的材料設(shè)計策略。該研究通過在介電彈性體材料中引入極性小分子添加劑的方法，成功開發(fā)出一種名為“電活性界面增強介電彈性體”（EIEDE）的新型材料，實現(xiàn)了大應(yīng)變驅(qū)動、強電吸附和可控電潤濕效應(yīng)的集成，展示了介電彈性體材料領(lǐng)域的突破性進展。該工作解決了傳統(tǒng)介電彈性體的長期局限性，并為柔性驅(qū)動、智能吸附和微流控操作提供了變革性解決方案。這項研究，首次將大應(yīng)變驅(qū)動、超強電吸附以及多功能液滴操控三大功能集成于單一材料中，為軟體機器人、先進制造和微流控技術(shù)等領(lǐng)域帶來了革命性的應(yīng)用前景。

該研究成果以“Electroactive interface-enhanced dielectric elastomer with ultrahigh electro-adhesion and multifunctional droplet actuation”為題在國際知名綜合性期刊《Science Advances》上在線發(fā)表。西北工業(yè)大學(xué)張軍詩教授、劉磊副教授、朱繼宏教授、張衛(wèi)紅院士和香港城市大學(xué)呂堅院士為共同通訊作者，西北工業(yè)大學(xué)博士研究生閆晗為論文第一作者。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費等項目的支持。

圖1 聚合物設(shè)計與理論原理示意圖

該研究首次報道了使用極性小分子在固-固和固-液界面上實現(xiàn)介電彈性體電活性界面調(diào)控的方法。開創(chuàng)性地突破了有機硅介電彈性體作為驅(qū)動器的傳統(tǒng)限制，通過調(diào)控材料表面能，實現(xiàn)了強大的電吸附力和多功能液滴驅(qū)動。通過對P7670與EIEDE在平板金屬電極和金屬網(wǎng)電極上的電吸附性能進行對比實驗，結(jié)果顯示EIEDE在金屬網(wǎng)電極上的吸附強度達到31.75 kPa，是P7670（0.065 kPa）的488倍，并且能夠?qū)Πǚ瞧秸饘倨⒔饘倬W(wǎng)和金屬絲在內(nèi)的不規(guī)則導(dǎo)電材料實現(xiàn)有效的電吸附。這種電吸附技術(shù)克服了現(xiàn)有約束，同時擴展了適用性，為機器人技術(shù)、工業(yè)制造及相關(guān)領(lǐng)域的下一代吸附系統(tǒng)提供了創(chuàng)新解決方案。

圖2. EIEDE電吸附特性及功能展示

金屬平板電極（左）和金屬網(wǎng)電極（右）的電吸附演示

除了固體界面，EIEDE在固-液界面同樣表現(xiàn)出色。研究團隊系統(tǒng)性地研究了材料在電場下的電潤濕（EWOD）行為。當(dāng)液滴接觸陽極時，由于小分子增塑劑的遷移富集，材料表面從疏水態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水態(tài)，使得液滴接觸角從原始的83.15°急劇減小至9.92°，實現(xiàn)了對液滴鋪展程度的極大范圍調(diào)控，響應(yīng)能力遠超傳統(tǒng)介電彈性體。基于相同的電潤濕原理，研究團隊還開發(fā)了一種液滴吸附裝置。EIEDE在施加電壓下表現(xiàn)出強親水性，使液滴能夠牢固地粘附在膜表面。持續(xù)施加電壓可促進液滴的運輸，而隨后撤去電壓則使表面恢復(fù)疏水性，從而觸發(fā)液滴的釋放，實現(xiàn)了吸附、運輸和釋放等穩(wěn)定操作。

利用EIEDE優(yōu)異的電潤濕特性，對不同形狀的陰極進行順序通電，誘導(dǎo)了小分子增塑劑局部的遷移，從而形成相應(yīng)的親水區(qū)域。由于表面張力梯度的存在，液滴會從疏水區(qū)域向這些新形成的親水區(qū)域移動。因此，操控液滴附近的表面張力梯度可以驅(qū)動其運動。此外，足夠強的梯度還能誘導(dǎo)液滴發(fā)生形變，使其輪廓和尺寸與通電電極的幾何形狀相匹配。

圖3. EIEDE陽極的電潤濕特性

更巧妙的是，當(dāng)液滴接觸陰極時，材料表現(xiàn)出相反的“抗電潤濕”效應(yīng)，局部疏水性增強。利用這種極性依賴的特性，通過協(xié)同優(yōu)化陽極幾何形狀，并利用定制的切割設(shè)備配置，研究團隊成功實現(xiàn)了液滴的精確二分、三分和四分切割這一技術(shù)。利用電潤濕誘導(dǎo)的液滴形變、運輸、分割和錨定功能，研究團隊設(shè)計了一個多探針檢測的演示實驗，實現(xiàn)了多個液滴的錨定與移動。液滴分割后，第一個液滴被驅(qū)動向右，而第二個液滴則被導(dǎo)向向左。隨后，產(chǎn)生的四個更小的液滴同時發(fā)生形變并錨定在探針1-4上。該技術(shù)實現(xiàn)了多液滴、多探針檢測，并增加了每個探針的有效感應(yīng)面積，為未來微流控傳感平臺提供了新概念。這些基于EIEDE的獨特電潤濕特性，通過受控電場梯度操控，實現(xiàn)了預(yù)設(shè)路徑的液滴分割，為先進微流控技術(shù)及其應(yīng)用提供了新策略。研究團隊首次展示了對相反電極極性的可切換電潤濕響應(yīng)，為新穎的微流控設(shè)計范式鋪平了道路。

圖4. EIEDE陰極的電潤濕特性及應(yīng)用展示

總體而言，這項研究首次通過添加小分子塑化劑策略，將大應(yīng)變驅(qū)動、超高電吸附和多功能液滴操控集成于單一介電彈性體材料中，在復(fù)雜形狀金屬吸附、爬壁機器人和微流控液滴控制等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。該研究重新定義了對介電彈性體的基本認知，為未來的相關(guān)研究建立了新范式。

通訊作者簡介：

張衛(wèi)紅，中國科學(xué)院院士，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，國務(wù)院第七、八屆學(xué)科評議組成員，國家自然科學(xué)基金會評專家，新世紀(jì)百千萬人才工程國家級人選。長期從事航宇結(jié)構(gòu)優(yōu)化與先進制造技術(shù)研究，曾獲國家自然科學(xué)二等獎、國家技術(shù)發(fā)明二等獎、全國創(chuàng)新爭先獎、馮如航空科技精英獎、高等教育（研究生）國家級教學(xué)成果一等獎、中國僑界杰出人物、中國僑界貢獻獎一等獎，帶領(lǐng)團隊獲“全國高校黃大年式教師團隊”稱號。擔(dān)任西北工業(yè)大學(xué)副校長、陜西省僑聯(lián)副主席、陜西省政協(xié)委員、科技部航宇材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計與增材制造裝備技術(shù)國合基地主任、陜西省空天結(jié)構(gòu)技術(shù)重點實驗室主任、金屬高性能增材制造與創(chuàng)新設(shè)計工業(yè)和信息化部重點實驗室學(xué)術(shù)委員會副主任、航空學(xué)報中英文版副主編、陜西省機械工程學(xué)會副理事長、陜西省力學(xué)學(xué)會理事長、國際仿真與多學(xué)科優(yōu)化協(xié)會(ASMDO)副主席等職務(wù)。發(fā)表論文450余篇、SCI論文250余篇，他引7700余次，出版專著/教材6部，授權(quán)國家發(fā)明專利92件。2021年當(dāng)選中國科學(xué)院院士。

個人主頁：

呂堅，香港城市大學(xué)機械工程講座教授，先進結(jié)構(gòu)材料研究中心主任。香港材料研究會（HK-MRS）理事長，香港力學(xué)學(xué)會前理事長，廣東省大灣區(qū)激光與增材制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟副理事長，世界新能源汽車大會科技委員會委員。78年跳級考入北京大學(xué)， 79年獲國家獎學(xué)金赴法國貢比涅技術(shù)大學(xué)讀本科, 86年獲該校博士學(xué)位。研究涉及先進納米材料制備與力學(xué)性能，3D/4D打印，結(jié)構(gòu)與功能材料預(yù)應(yīng)力工程。在Nature（封面文章），Science, Nature Materials, Nature Chemistry， Nature Water，Nature Communications, Science Advances, PNAS, Advanced Materials, Materials Today, PRL等雜志上發(fā)表論文650余篇，引用5萬5千余次，H Index=106，2025年“科睿唯安“全球高被引科學(xué)家, 90項歐、美（53項）、中發(fā)明專利獲授權(quán)。北京科技大學(xué)，東北大學(xué)，西安交大等大學(xué)名譽教授, 上海交大，西北工業(yè)大學(xué)，西南交通大學(xué)顧問教授。2011年被法國國家技術(shù)科學(xué)院（NATF）選為院士，是該院300余位院士中首位華裔院士。2025年獲選美國國家發(fā)明家科學(xué)院（NAI）院士。2006年與2017年分別獲法國總統(tǒng)任命獲國家榮譽騎士勛章及國家榮譽軍團騎士勛章，2013年和2018年分別在中國力學(xué)大會與中國材料大會上做大會報告。2018年獲中國工程院光華工程科技獎。

個人主頁：

朱繼宏，西北工業(yè)大學(xué)教授、博導(dǎo)、比利時列日大學(xué)航空航天工程科學(xué)博士、英國倫敦瑪麗女王大學(xué)客座教授、國家級領(lǐng)軍人才、國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者。航空學(xué)報、電子機械工程、航空制造技術(shù)等期刊編委、火星探測項目天問一號技術(shù)審查專家、空天某重大專項專家組成員、某重大裝備副總師。主要從事飛行器新概念整體結(jié)構(gòu)技術(shù)、空天飛行器防熱-承載一體化、智能結(jié)構(gòu)與機器人技術(shù)研究。獲國家自然科學(xué)二等獎、第十六屆中國青年科技獎、中國青年“五四”獎?wù)聢F隊、三項陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎，以及航空學(xué)會青年科技獎、鄧稼先青年科技獎、錢令希計算力學(xué)青年學(xué)者獎等。

個人主頁：

張軍詩，西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院教授、博導(dǎo)，曾任香港城市大學(xué)Senior Research Associate及日本UEC特任研究員。主持國家自然自然科學(xué)基金3項，主要從事軟物質(zhì)力學(xué)、智能材料與結(jié)構(gòu)及軟體機器人方面的研究，以第一/通訊作者在Science Advances, Applied Physics Reviews, Advanced Science等期刊發(fā)表論文40余篇。

個人主頁：

劉磊, 西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院副教授，主持國家自然自然科學(xué)基金2項，長期從事軟體機器人及電活性人工肌肉材料力電耦合行為研究，主要內(nèi)容包括電活性聚合物（EAP）人工肌肉材料力電耦合特性研究；氣電混合人工肌肉驅(qū)動機理研究；仿生變體無人機及柔性智能蒙皮技術(shù)研究；剛-柔-軟耦合機器人剛度調(diào)控研究等。以第一/通訊作者在Science Advances, Cell Reports Physical Science, Applied Physics Reviews, Advanced Science等期刊發(fā)表論文30余篇。

個人主頁：

論文信息：

H. Yan ?, J. Zhang?*, L. Liu*, C. Wei, C. Zhang, K. Wang, J. Zhu*, Z Moumni, W. Zhang*, J. Lu*. “Electroactive interface-enhanced dielectric elastomer with ultrahigh electro-adhesion and multifunctional droplet actuation” Sci. Adv.12,eaec3342(2026).DOI:

文章鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec3342

DOI:10.1126/sciadv.aec3342

責(zé)任編輯：李 娜

責(zé)任校對： 金 程

審 核： 張 彤

JME學(xué)院簡介

JME學(xué)院是由《機械工程學(xué)報》編輯部2018年創(chuàng)建，以關(guān)注、陪伴青年學(xué)者成長為宗旨，努力探索學(xué)術(shù)傳播服務(wù)新模式。

歡迎各位老師掃碼添加小助理-暖暖為好友，由小助理拉入JME學(xué)院官方群！

歡迎關(guān)注機械工程學(xué)報視頻號~

尋覓合作伙伴

有一種合作叫做真誠，有一種發(fā)展可以無限，有一種伙伴可以互利共贏，愿我們合作起來流連忘返，發(fā)展起來前景可觀。關(guān)于論文推薦、團隊介紹、圖書出版、學(xué)術(shù)直播、招聘信息、會議推廣等，請與我們聯(lián)系。

感謝關(guān)注我們！我們《機械工程學(xué)報》編輯部將努力為您打造一個有態(tài)度、有深度、有溫度的學(xué)術(shù)媒體！

版權(quán)聲明：

特別聲明：本微信轉(zhuǎn)載文章出于非商業(yè)性的教育和科研目的，如轉(zhuǎn)載稿涉及版權(quán)等問題，請立即聯(lián)系我們，我們會予以更改或刪除相關(guān)文章，保證您的權(quán)益。

微信投稿、轉(zhuǎn)載等：

聯(lián)系人：暖暖

E-mail：jme@cmes.org

網(wǎng) 址：http://www.cjmenet.com.cn

官方微信號：jmewechat