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，廣泛應用于人工肌肉、軟體機器人等前沿領域。然而，現(xiàn)有的有機硅彈性體通常局限于單一模式驅動，即當前研究主要集中在介電彈性體材料的本征特性上，這嚴重限制并低估了它們的功能潛力。在實際應用中，材料與其周圍環(huán)境之間的"界面相互作用"往往是實現(xiàn)多功能化的關鍵瓶頸。解決介電彈性體材料與外部物質之間的界面相互作用挑戰(zhàn)，關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、香港城市大學等單位學者組成的聯(lián)合團隊，提出了一種創(chuàng)新的材料設計策略。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)了大應變驅動、強電吸附和可控電潤濕效應的集成，展示了介電彈性體材料領域的突破性進展。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，首次將大應變驅動、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等領域帶來了革命性的應用前景。

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呂堅院士為共同通訊作者，西北工業(yè)大學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、國家自然科學基金、中央高校基本科研業(yè)務費等項目的支持。

圖1 聚合物設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控的方法。開創(chuàng)性地突破了有機硅介電彈性體作為驅動器的傳統(tǒng)限制，通過調控材料表面能，實現(xiàn)了強大的電吸附力和多功能液滴驅動。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，并且能夠對包括非平整金屬片、金屬網(wǎng)和金屬絲在內的不規(guī)則導電材料實現(xiàn)有效的電吸附。這種電吸附技術克服了現(xiàn)有約束，同時擴展了適用性，為機器人技術、工業(yè)制造及相關領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控，響應能力遠超傳統(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，誘導了小分子增塑劑局部的遷移，從而形成相應的親水區(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動其運動。此外，足夠強的梯度還能誘導液滴發(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，當液滴接觸陰極時，材料表現(xiàn)出相反的“抗電潤濕”效應，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。利用電潤濕誘導的液滴形變、運輸、分割和錨定功能，研究團隊設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，第一個液滴被驅動向右，而第二個液滴則被導向向左。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)了預設路徑的液滴分割，為先進微流控技術及其應用提供了新策略。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，為新穎的微流控設計范式鋪平了道路。

圖4. EIEDE陰極的電潤濕特性及應用展示

總體而言，這項研究首次通過添加小分子塑化劑策略，將大應變驅動、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，在復雜形狀金屬吸附、爬壁機器人和微流控液滴控制等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。該研究重新定義了對介電彈性體的基本認知，為未來的相關研究建立了新范式。

通訊作者簡介：

張衛(wèi)紅，中國科學院院士，國家杰出青年科學基金獲得者，國務院第七、八屆學科評議組成員，國家自然科學基金會評專家，新世紀百千萬人才工程國家級人選。長期從事航宇結構優(yōu)化與先進制造技術研究，曾獲國家自然科學二等獎、國家技術發(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，帶領團隊獲“全國高校黃大年式教師團隊”稱號。擔任西北工業(yè)大學副校長、陜西省僑聯(lián)副主席、陜西省政協(xié)委員、科技部航宇材料結構一體化設計與增材制造裝備技術國合基地主任、陜西省空天結構技術重點實驗室主任、金屬高性能增材制造與創(chuàng)新設計工業(yè)和信息化部重點實驗室學術委員會副主任、航空學報中英文版副主編、陜西省機械工程學會副理事長、陜西省力學學會理事長、國際仿真與多學科優(yōu)化協(xié)會(ASMDO)副主席等職務。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，授權國家發(fā)明專利92件。2021年當選中國科學院院士。

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呂堅，香港城市大學機械工程講座教授，先進結構材料研究中心主任。香港材料研究會（HK-MRS）理事長，香港力學學會前理事長，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， 79年獲國家獎學金赴法國貢比涅技術大學讀本科, 86年獲該校博士學位。研究涉及先進納米材料制備與力學性能，3D/4D打印，結構與功能材料預應力工程。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“全球高被引科學家, 90項歐、美（53項）、中發(fā)明專利獲授權。北京科技大學，東北大學，西安交大等大學名譽教授, 上海交大，西北工業(yè)大學，西南交通大學顧問教授。2011年被法國國家技術科學院（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。

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朱繼宏，西北工業(yè)大學教授、博導、比利時列日大學航空航天工程科學博士、英國倫敦瑪麗女王大學客座教授、國家級領軍人才、國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者。航空學報、電子機械工程、航空制造技術等期刊編委、火星探測項目天問一號技術審查專家、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構技術、空天飛行器防熱-承載一體化、智能結構與機器人技術研究。獲國家自然科學二等獎、第十六屆中國青年科技獎、中國青年“五四”獎章團隊、三項陜西省科學技術一等獎，以及航空學會青年科技獎、鄧稼先青年科技獎、錢令希計算力學青年學者獎等。

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張軍詩，西北工業(yè)大學機電學院教授、博導，曾任香港城市大學Senior Research Associate及日本UEC特任研究員。主持國家自然自然科學基金3項，主要從事軟物質力學、智能材料與結構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。

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劉磊, 西北工業(yè)大學機電學院副教授，主持國家自然自然科學基金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動機理研究；仿生變體無人機及柔性智能蒙皮技術研究；剛-柔-軟耦合機器人剛度調控研究等。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。

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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

責任編輯：李 娜

責任校對： 金 程

審 核： 張 彤

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