本研究由吴宇姣、崔奇源和王凡共同完成，他们来自浙江理工大学机械工程学院。该项研究成果以题为《高性能纳米纤维素基离子型电活性软体驱动器》的论文形式，发表在期刊《Actuators》的2024年第13卷第200期，并于2024年5月24日正式在线发布。
该研究属于智能材料与软体机器人交叉领域，具体聚焦于离子型电活性聚合物驱动器。这类驱动器能在低电压电刺激下产生类似生物肌肉的弯曲形变，在微型操作器、仿生软体机器人、生物医疗等领域具有广阔前景。然而，传统离子聚合物金属复合材料（IPMC）的电极通常采用化学镀金属（如铂、金）的方法制备，存在工艺复杂、电极与离子交换膜结合力弱、表面粗糙、易退化等问题，限制了驱动器的性能和长期稳定性。另一方面，商用的柔性导电聚合物电极材料，如聚（3,4-乙烯二氧噻吩）/聚（4-苯乙烯磺酸）（PEDOT/PSS），虽具有导电性、柔韧性和电化学稳定性好等优点，但其自支撑成膜性差，难以通过热压等高效工艺与离子膜结合。因此，开发兼具高导电性、优异成膜性、强界面结合力以及良好保水性的新型复合电极，是研制高性能离子型电活性软体驱动器的关键。基于此背景，本研究旨在利用微纤化纤维素（MFC）和多壁碳纳米管（MWCNT）对PEDOT/PSS电极进行改性增强，通过热压法制备高性能的“三明治”结构离子驱动器，并系统评估其各方面性能，最终展示其在仿生微型夹爪中的应用潜力。研究的目标是制备出具有大弯曲位移、快速响应和高耐久性的软体驱动器，为下一代微型操作器和仿生软机器人提供新的可能性。
详细的研究工作流程包含几个主要步骤：材料制备、驱动器组装、性能表征与测试，以及应用演示。首先，在材料制备阶段，研究团队开发了自支撑的PEDOT/PSS-MFC-MWCNT复合电极薄膜。具体流程为：将MFC水浆料与去离子水混合，随后加入PEDOT/PSS分散液和作为表面活性剂的聚乙二醇单烯丙基醚（PEGM），搅拌混合。接着，向上述混合分散液中加入微量的MWCNT，经过长时间高速搅拌和超声波处理，确保MWCNT均匀分散。之后，对复合分散液进行真空脱气以去除气泡。最后，将分散液浇铸在聚四氟乙烯皿中，在65°C下干燥10小时，最终获得厚度约为35微米的自支撑复合电极薄膜。该工艺的关键在于利用MFC致密的网络结构改善PEDOT/PSS的成膜性，并利用MWCNT提升导电性。其次，在驱动器组装阶段，采用热压法进行。将制备好的两张PEDOT/PSS-MFC-MWCNT电极薄膜分别置于离子交换膜Nafion N212的两侧，构成“电极-离子膜-电极”的三明治结构。然后在70°C、20 MPa的压力下热压5分钟，使各层紧密结合，最终得到总厚度约为105微米的驱动器，并切割成长40毫米、宽5毫米的测试条。这种热压工艺是本研究的核心方法之一，旨在通过热和压力的共同作用，强化电极与离子膜之间的界面结合，这是提升驱动器性能的关键。在性能表征与测试方面，研究包含了对材料本身的多维度分析和对驱动器机电性能的详细评估。材料表征包括：使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察MFC、复合电极薄膜的表面形貌以及驱动器截面的层状结构和界面结合情况；利用热重分析仪（TGA）分析材料的热稳定性；通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线衍射仪（XRD）研究材料间的化学相互作用和结晶度变化；使用拉伸测试机测量电极薄膜的杨氏模量；采用四探针法测试薄膜的电导率。驱动器的机电性能测试则搭建了一个专门的测试系统，该系统包含激光位移传感器、功率放大器、信号发生器、数据采集系统和计算机。测试时，将驱动器一端固定，对其施加不同幅度（±0.5V， ±1V， ±1.5V， ±2V）和频率（1Hz， 0.5Hz， 0.3Hz， 0.1Hz）的正弦交流电压，以及直流电压（1.0V），同时用激光位移传感器实时记录驱动器末端的峰值位移。通过公式ε = 2dt/(d² + l²)（其中d为峰值位移，t为厚度，l为自由长度）计算弯曲应变。此外，还重点测试了驱动器在特定条件下的重复性和长期耐久性（循环稳定性）。最后，在应用演示阶段，研究团队基于制备的驱动器，构建了模仿手指抓取、指向和计数动作的微型软体夹爪和仿生手指，以验证其实际应用潜力。
研究取得了系统而显著的结果。在材料表征方面：SEM图像显示，MFC具有天然的致密微纤维网络结构；加入PEDOT/PSS后，复合薄膜表面均匀且保有微纤维特征；进一步掺杂MWCNT后，薄膜表面呈现均匀分布，无明显团聚，且MWCNT被成功引入。更重要的是，驱动器截面SEM图显示，通过热压法，复合电极与Nafion膜之间形成了致密、无分层的良好界面结合层，这是实现高效力电传递的基础。TGA曲线表明，材料在制备工艺温度（65°C干燥，70°C热压）下未发生化学降解，热稳定性良好。FT-IR和XRD分析证实了PEDOT/PSS、MFC和MWCNT三者之间存在强烈的相互作用和化学交联，并且MFC和MWCNT的加入显著影响了PEDOT/PSS的结晶度。力学和电学测试结果显示，掺杂MWCNT后的PEDOT/PSS-MFC-MWCNT薄膜杨氏模量高达448 MPa，电导率达到75 S/cm，相比未掺杂MWCNT的PEDOT/PSS-MFC薄膜（电导率33 S/cm）有大幅提升，这得益于MWCNT的高导电性和纳米孔结构增加了电荷存储表面积。
在驱动器的机电性能方面，结果尤为突出：1. 增强效应验证：在相同测试条件下（±1.0V， 0.1 Hz），掺杂MWCNT的驱动器其初始形变斜率和峰值位移均明显高于未掺杂的驱动器。在1.0V直流电压下，前者峰值位移达到4.6 mm，后者为3.5 mm，直接证明了MWCNT对提升驱动器机电性能的有效性。2. 电压与频率依赖性：在固定频率（0.1 Hz）下，驱动器的峰值位移随电压升高而显著增加，在0.5V， 1.0V， 1.5V和2.0V时分别达到1.1 mm， 2.1 mm， 2.8 mm和3.3 mm。这是因为更高电压在电极上积累了更多电荷，驱动更多水合离子迁移，导致更大形变。在固定电压（1.0V）下，峰值位移随频率降低而增加，从1 Hz时的0.2 mm增至0.1 Hz时的2.1 mm，因为低频给予了驱动器更充分的形变响应时间。3. 优异的重复性与耐久性：在±1.0V， 0.1 Hz条件下进行三组测量，驱动器表现出高度一致的弯曲位移（2.1 ± 0.1 mm），重复性极佳。更重要的是，在长达1小时（360个循环）的连续测试中，驱动器保持了2.1 mm的峰值位移，循环稳定性高达94%，且未观察到性能退化。这一卓越的长期稳定性归因于复合电极优异的成膜性、高电导率、亲水性MFC的出色保水能力以及热压带来的强界面结合力。4. 性能对比优势：研究将所制备的驱动器与文献中报道的其他离子驱动器进行了全面对比。结果显示，在2.0V， 0.1 Hz条件下，本研究的驱动器实现了3.3 mm的峰值位移和0.076%的弯曲应变，性能显著优于许多采用浸渍涂覆、溅射镀膜或化学镀方法制备的驱动器。这凸显了热压法结合MFC/MWCNT增强复合电极策略的优越性。
在应用演示部分，结果生动地展示了驱动器的实用价值：基于两个驱动器构建的仿生夹爪，能够在±2.0V电压驱动下，平稳抓取并转移一个仅重12 mg的微小海绵球。此外，用五个驱动器构建的仿生手指，可以通过施加4V的方波电压，精确控制各“手指”的弯曲与伸展，成功模拟了从“2”到“5”的手指计数动作。这些演示证明了该驱动器在微型空间内实现精细操作和复杂仿生动作的潜力。
本研究的结论是：成功通过热压法制备了一种基于自支撑MFC增强、MWCNT掺杂的PEDOT/PSS复合电极与Nafion离子膜的高性能离子型电活性软体驱动器。该驱动器在1.0V， 0.1 Hz条件下表现出2.1 mm的大位移输出和94%的卓越长期循环稳定性。其高性能源于复合电极的良好成膜性、高机械强度与电导率、MFC的优异保水性以及热压工艺带来的强界面结合。研究进一步验证了该驱动器作为仿生手指在抓取、指向和计数等动作中的应用可行性，为下一代微型操作器、仿生软体机器人及微机电系统（MEMS）中的高效能动器件开发开辟了新的可能性。
本研究的亮点在于：1. 材料设计新颖：创造性将天然、绿色、生物相容的微纤化纤维素（MFC）作为增强相引入PEDOT/PSS电极，显著改善了其成膜性和保水性；同时结合MWCNT提升导电性，制备出兼具优异力学、电学和界面性能的复合电极。2. 工艺方法有效：采用热压法组装驱动器，该方法工艺简单、高效，并能显著增强电极与离子膜之间的界面结合力，这是获得高耐久性的关键。3. 综合性能卓越：所制备的驱动器在低工作电压下，同时实现了大弯曲位移、快速响应和极高的长期循环稳定性，其综合性能优于许多已报道的同类驱动器。4. 应用导向明确：不仅进行了详尽的材料与性能表征，还成功演示了驱动器在仿生微型夹爪和手指计数中的实际应用，清晰展现了其技术转化潜力。5. 环境友好性：研究中使用的MFC来源于可再生资源，具有生物可降解性和生物相容性，为开发环境友好的高性能智能驱动器提供了新思路。这项研究为解决离子电活性驱动器在电极-界面性能与长期稳定性方面的瓶颈问题提供了有效的材料与工艺方案，对推动软体机器人、微型操作及生物医学工程等领域的发展具有重要的科学价值与应用前景。