问题——智能材料从“能变形”走向“会互动”的需求日益迫切。
在软体机器人、可穿戴设备、精密装配与芯片实验室等场景中,材料不仅要在电场作用下完成伸缩、弯曲等动作,更需要与外界实现可靠、可控的界面交互:既要抓得稳、放得开,又要能对液体进行按需操控。
长期以来,介电弹性体作为电子型电活性聚合物的重要代表,研究重点多聚焦其本征驱动性能,界面吸附与润湿调控等能力相对薄弱,导致“能动但不善交互、能变形但难执行复杂任务”的瓶颈逐渐凸显。
原因——关键在于界面物理与材料微观结构的协同设计。
科研团队将突破口放在材料与外界接触面这一“关键战场”。
据介绍,此次研发的“电活性界面增强介电弹性体”(EIEDE),通过在介电弹性体体系中引入极性小分子添加剂,使材料在电场下不仅产生可观形变,还能在界面处形成更强、更可控的电致相互作用,从而把“驱动、吸附、润湿”三类功能联结为一个系统。
换言之,材料性能不再仅由“体相弹性与介电响应”决定,而是进一步通过界面电响应的放大与调制实现综合能力跃升。
这一思路体现了从单一性能优化转向“体相—界面协同”的研发路径,也契合当前智能材料从实验室走向复杂工况应用的发展趋势。
影响——强吸附与液滴操控能力显著提升,应用边界被拓展。
在电吸附能力方面,团队实验显示,该新材料在金属网电极条件下的吸附强度达到31.75kPa,相比传统材料(P7670)提升显著。
吸附性能的跃升意味着其不局限于平整表面,对存在孔洞、纹理或曲率变化的金属网、金属片乃至金属丝等对象也具备更强适应性,为传统吸附方式难以覆盖的复杂表面抓取提供了新方案。
面向工程应用,这类“柔软但抓牢”的能力有望为检修维护、柔性搬运、非接触式夹持等环节降低对机械夹具的依赖,提升对不规则件、精密件和易损件的友好度。
在可控电润湿方面,研究发现,当水滴接触材料正极时,表面润湿性可在电场作用下发生显著变化:由相对疏水状态转为强亲水状态,水滴接触角由83.15°降至9.92°,实现大范围可调控铺展。
基于这一特性,团队构建了液滴吸附与释放的操作模式:施加电压可实现吸附,撤去电压可实现释放,从而支持液滴稳定运输。
值得关注的是,当液滴接触负极时又表现出“抗电润湿”效应,局部疏水性增强,液滴出现快速回缩。
这种正负极差异为“同一材料、双向调控”的微流体操作提供了重要手段。
更进一步,团队通过优化电极形状实现液滴精确分割,可将单个液滴按需求分成多个小液滴,为芯片级液滴分配、并行反应与微量检测提供了新的实现路径。
这些能力指向一个共同趋势:智能材料正在从“执行单动作”向“承担流程性操作”升级,未来有望在更小尺度、更高精度、更复杂序列任务中承担关键功能部件角色。
对策——推动“材料—器件—场景”一体化验证,加快从论文到产品的转化。
业内专家指出,面向产业落地,新型电活性材料仍需在可靠性与工程化方面系统评估:其一,关注在不同湿度、温度与多循环工况下的性能稳定性与衰减规律;其二,完善电极结构、封装方式与电源控制策略,提升在复杂表面吸附时的安全冗余与可控释放能力;其三,围绕微流控、生物样品处理、柔性抓取等典型应用,形成标准化测试方法与可复现的器件方案。
建议加强跨学科协同,推动材料科学、机械工程、电子控制与制造工艺联合攻关,尽快形成可推广的技术路线与应用样机。
前景——软体机器人、先进制造与微流控或迎来关键部件迭代窗口。
从发展趋势看,软体机器人对“既能形变又能稳定附着”的材料需求强烈,尤其在高空检修、曲面爬行与狭小空间作业等任务中,材料的界面吸附能力将直接影响系统可靠性。
先进制造领域则需要更柔顺、更低损伤的抓取与搬运方式,以适应精密零件、小型化元件和易碎部件的装配要求。
微流控与芯片实验室方向,液滴的稳定运输、分配与分割是实现自动化反应与检测的基础环节,电润湿调控结合材料本体驱动,有望推动器件结构进一步简化、操作精度进一步提升。
随着相关研究成果发表于《科学进展》,其学术影响力与后续验证工作值得持续关注。
这项突破不仅标志着我国在智能材料领域取得重要进展,更揭示了功能材料从"被动响应"向"主动交互"演进的新范式。
随着材料科学与其他学科的深度交叉融合,这类具备环境适应能力的智能材料,或将重新定义未来工业生产的技术边界,为制造业转型升级提供关键材料支撑。