極端環(huán)境（如沙漠、極地）作業(yè)的軟體機器人亟需兼具高離子電導(dǎo)率、低楊氏模量、高彈性和環(huán)境穩(wěn)定性的離子導(dǎo)體。然而，現(xiàn)有材料存在根本缺陷：水凝膠因水分蒸發(fā)在高溫/低溫下失效，離子凝膠高溫易泄漏，碳基材料易脫落且不透明，而無機納米材料拉伸性差。這些短板嚴(yán)重限制了軟體機器人在極端條件下的長期穩(wěn)定運行。

清華大學(xué)王朝副教授團隊開發(fā)了一種基于離子-偶極與氫鍵協(xié)同策略的乙二醇（EG）凝膠離子導(dǎo)體。該材料在僅5 mol%的低聚合物濃度下形成，具備高離子電導(dǎo)率（1.31 mS cm?1）、超低楊氏模量（7.3 kPa）、近乎100%的彈性回復(fù)率，以及驚人的環(huán)境穩(wěn)定性（-27℃至123℃溫度范圍、10%-70%相對濕度）。基于此，團隊成功研制出極端環(huán)境穩(wěn)定的介電彈性體驅(qū)動器（DEA），其壽命比傳統(tǒng)離子凝膠延長42倍，并實現(xiàn)了全球首款在極端環(huán)境下以3.6 BL s?1（體長/秒）高速運動的軟體機器人。相關(guān)論文以“Elastic and ultra stable ionic conductors for long-life-time soft robots working at extreme environments”為題，發(fā)表在《自然·通訊》上。

凝膠化新機制

傳統(tǒng)聚合物（如丙烯酰胺AAm）無法在低濃度下凝膠化乙二醇，因其氫鍵作用遠弱于水（附圖4）。團隊創(chuàng)新性地選用兩性離子單體SBMA，通過其側(cè)鏈正負(fù)電荷與EG形成強離子-偶極作用（貢獻總相互作用能的57.4%），協(xié)同氫鍵在5 mol%濃度下實現(xiàn)穩(wěn)定成膠（圖1a）。分子動力學(xué)模擬（圖2d-f）證實，SBMA-EG相互作用能比AAm-EG高2.5倍；拉曼光譜（圖2g）中O-S-O峰藍移（1035→1039 cm?1）及變溫核磁（圖2h-j）中質(zhì)子位移變化，均驗證了離子-偶極鍵的存在。這種雙鍵協(xié)同機制賦予凝膠高溫穩(wěn)定性——100℃時氫鍵數(shù)量降至64%，而離子-偶極鍵幾乎不變。

圖1.極端環(huán)境穩(wěn)定型乙二醇凝膠離子導(dǎo)體的分子間相互作用及穩(wěn)定性示意圖。

圖2.基于離子-偶極相互作用與氫鍵協(xié)同策略的乙二醇凝膠化過程。

卓越穩(wěn)定性

如表1所示，EG凝膠在極端環(huán)境全面優(yōu)于現(xiàn)有材料：在-27℃不凍結(jié)、123℃不揮發(fā)、10%-70%濕度下保持功能，而水凝膠和離子凝膠在高溫/低溫/低濕下均失效。力學(xué)測試（圖3c）證實EG凝膠在-20℃至100℃拉伸率保持>1500%；差示掃描量熱（圖3d）顯示其-80℃無結(jié)晶峰；濕度實驗（圖3h-i）表明其在70%濕度下質(zhì)量僅增40%，且60℃烘干1小時即可恢復(fù)初始性能。紅外熱成像（圖3n-p）更直觀展示其在-27℃冰柜、123℃加熱臺甚至火焰附近仍保持彈性和拉伸能力。

圖3.乙二醇凝膠離子導(dǎo)體在極端環(huán)境下的力學(xué)與電學(xué)性能。

電化學(xué)性能優(yōu)勢

EG凝膠離子電導(dǎo)率在25℃達1.31 mS cm?1（圖4a），100℃下維持3小時僅衰減20%，而水凝膠1小時內(nèi)歸零（圖4c）。寬溫域（-20~100℃）和濕度范圍（10%-70% RH）測試（圖4d-e）顯示其電導(dǎo)率始終>0.1 mS cm?1，且在70%濕度下存放7天后，60℃烘干即可復(fù)原。其自修復(fù)特性使損傷后電導(dǎo)率1秒內(nèi)恢復(fù)（附圖55），并成功驅(qū)動-20℃和100℃環(huán)境下的LED燈（圖4f-g）。

圖4.乙二醇凝膠離子導(dǎo)體在極端環(huán)境中的電學(xué)性能。

高性能驅(qū)動器

基于EG凝膠的透明DEA器件（圖5a）在38 MV m?1電場下實現(xiàn)54.9%的驅(qū)動應(yīng)變（圖5b），超碳脂（52.5%）、水凝膠（18.1%）和離子凝膠（23.1%）。關(guān)鍵突破在于極端環(huán)境穩(wěn)定性：100℃工作3小時后仍保持40.8%應(yīng)變，壽命為水凝膠9倍（圖5e）；-20℃下應(yīng)變達31.4%（圖5f）。壽命測試（圖5g）顯示其在25℃/10% RH下運行300分鐘，比離子凝膠（7分鐘）長42倍；即使100℃高溫下（15.1分鐘），壽命仍超離子凝膠37倍。

圖5.適用于極端環(huán)境的介電彈性體驅(qū)動器（DEA）裝置。

高速軟體機器人

無需額外封裝的軟體機器人（圖6a）利用DEA的寬溫域響應(yīng)特性，在-20℃至100℃內(nèi)實現(xiàn)高速爬行（圖6b）。頻率優(yōu)化表明：30 Hz電場下機器人步幅最大，速度達3.5 BL s?1（15.4 cm/s）（圖6d）。紅外追蹤顯示其在-20℃（3.7 BL s?1）和100℃（3.6 BL s?1）均保持高速運動（圖6g-h），成為首個在極端溫域內(nèi)穩(wěn)定工作的軟體機器人。

圖6.適用于極端環(huán)境的軟體機器人。

總結(jié)與展望

該研究通過離子-偶極/氫鍵協(xié)同策略，攻克了有機溶劑低濃度凝膠化難題，創(chuàng)制的EG凝膠離子導(dǎo)體為軟體機器人提供了迄今最全面的極端環(huán)境解決方案。該策略可拓展至其他兩性離子單體（如CBMA、MAPC），為大面積制備鋪平道路。研究不僅解決了DEA電極材料的穩(wěn)定性瓶頸，更為新一代可在極地、沙漠乃至深空等嚴(yán)苛環(huán)境下自主作業(yè)的軟體機器人奠定基礎(chǔ)。

來源：高分子科學(xué)前沿

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