南洋理工大学李佩诗院士《自然·通讯》：超软、自修复聚离子液体电极，可用于介电弹性体驱动器

介电弹性体驱动器（DEAs）凭借大驱动应变、轻量化及快速响应特性，在软体机器人和夹爪领域极具潜力。然而，传统自修复离子凝胶电极的弹性模量通常高达数十千帕，严重限制了DEAs的驱动应变性能与自修复速度。此外，非自修复电极一旦受损会导致器件失效，而水凝胶电极又存在热稳定性不足的问题。开发兼具超低模量、快速自修复和环境适应性的电极材料，成为推动DEAs实际应用的关键挑战。

新加坡南洋理工大学李佩诗院士研究团队通过调控离子相互作用，成功开发出一种超软、快速自修复的聚离子液体（PIL）电极。该电极弹性模量仅为3.4 kPa，在空气和水下均能在10秒内完成自修复。基于此电极的DEAs实现了63.2%的面积应变，自修复后性能保持率达96%，远超现有技术水平。搭载该电极的软体夹爪可在空气和水下轻柔抓取脆弱物体，受损后通过电极自修复快速恢复功能，为极端环境作业提供了新方案。相关论文以“Ultrasoft and fast self-healing poly(ionic liquid) electrode for dielectric elastomer actuators”为题，发表在

Nature Communications

技术原理

图1揭示了电极性能的核心机制：传统刚性电极会约束介电弹性体（DE）层变形（图1a），而新型PIL电极凭借超低模量减少约束，实现高效驱动（图1b）。通过选择体积匹配的阴离子TFSI⁻与聚阳离子PC6⁺结合（图1c），离子相互作用被优化，为高迁移率奠定基础。

图1 | PIL电极提升DEA性能示意图 a) 刚性电极约束介电弹性体变形，导致驱动应变低且损伤后失效；b) 超软快速自修复PIL电极减少约束，支持大应变驱动和损伤快速修复；c) 通过调控聚阳离子（PC6⁺）与阴离子（TFSI⁻）的离子相互作用优化电极性能。

图2进一步解析了阴离子调控策略：随着阴离子尺寸从BF₄⁻、OTF⁻增大至TFSI⁻（图2a），其表面静电势显著降低（图2b），离子相互作用减弱。X射线散射（图2c）和XPS分析（图2d）证实，TFSI⁻使聚合物链间距扩大，玻璃化转变温度低至-66.9℃（图2e），离子电导率提升至0.013 S/m（图2f），实现了超软特性与高离子迁移率的平衡。

图2 | 阴离子调控PIL30-X（X = BF₄⁻, OTF⁻, TFSI⁻）的结构与性能 a) PIL30-X化学结构及阴离子尺寸效应；b) 三种阴离子的表面静电势模拟（红色：0.1 a.u.，蓝色：-0.1 a.u.）；c) 广角X射线散射（WAXS）数据；d) N 1s X射线光电子能谱（XPS）；e) 玻璃化转变温度（Tg）；f) 离子电导率。

性能验证

图3展示了PIL30-TFSI的卓越力学性能：拉伸应变达350%，模量仅3.4 kPa（图3a-b），远优于其他阴离子体系。得益于高链迁移率，其自修复速度在空气和水下均仅需10秒（图3c-e）。原位红外光谱（图3g-h）和电阻测试（图3i-j）揭示修复机制：断裂后离子键重组驱动界面愈合，电导率7秒内恢复。图3k的艾什比图证明，该材料在模量与修复速度综合指标上处于领先地位。

图3 | PIL30-X的力学与自修复性能 a) 拉伸应力-应变曲线；b) 杨氏模量对比（误差棒为三次独立测试标准差）；c) 不同阴离子体系的自修复过程示意图；d) 室温下划痕自修复显微图像（标尺：500 μm）；e) PIL30-TFSI水下自修复（左）及TFSI⁻与水分子相互作用的DFT模拟（右）；f) 空气/水下自修复后的拉伸曲线；g-h) 原位FTIR监测空气/水下修复过程；i-j) 空气/水下切割修复过程的电阻变化；k) 室温自修复聚合物的模量与修复时间艾什比图（实心点：空气修复；空心点：水下修复）。

图4验证了DEAs的驱动性能：采用PIL30-TFSI电极的DEAs在32 V/μm电场下实现63.2%面积应变（图4b），自修复后保持96%性能（图4c）。单晶片弯曲DEAs的位移达1.74 mm（图4f），自修复后保持91%位移和89%阻塞力（图4g），且在100%湿度下稳定循环1000次（图4i）。

图4 | 搭载PIL电极的DEAs性能 a) 面积应变模式DEA示意图；b) 不同电场下PIL30-X电极DEAs的面积应变；c) PIL30-TFSI电极修复前后的面积应变；d) 自修复电极DEAs的性能对比（实心点：原始电极；空心点：修复后电极）；e) 单晶片弯曲DEA结构；f) 弯曲位移对比（插图：19.2 V/μm驱动状态）；g) 阻塞力测试；h) 位移时间响应；i) 不同湿度下的循环驱动（11 V/μm，1 Hz方波）。

应用场景拓展

图5展示了软体夹爪的突破性应用：双指结构由弯曲DEAs构成（图5a），通过电压控制开合，仅需1秒即可抓取50 mg棉球（图5b）或4 mg微立方体（图5c）。电极受损后，10秒自修复使夹爪功能如初。更引人注目的是，该夹爪可在水下抓取金属柱（图5d），并同样实现快速水下自修复，为海洋探测和生物采样提供了可靠工具。

图5 | 基于PIL30-TFSI电极的软体夹爪 a) 双指夹爪工作原理（电压开启时张开，关闭时抓取）；b) 抓取50 mg棉球；c) 抓取4 mg微立方体（自修复后功能保持）；d) 水下抓取金属柱（64 mg）及电极水下自修复后功能恢复（标尺：1 cm）。

未来展望

这项研究通过阴离子工程策略，解决了DEAs电极模量与自修复速度难以兼顾的难题。PIL30-TFSI电极的超软特性（3.4 kPa）、10秒级自修复能力及环境适应性，为软体机器人在深海探索、高温作业等恶劣环境中的应用铺平道路。团队已将其拓展至爬行机器人、人工肌肉和可调光学调制器，展现出广阔的产业化前景。

来源：高分子科学前沿

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