西交大/西工大合作《自然·通讯》：电场调控纳米填料排列，突破软体机器人驱动材料性能瓶颈

长期以来，软体机器人领域面临一个核心矛盾：作为其“肌肉”的驱动材料难以同时具备大变形能力与高输出力。传统的铁电陶瓷或晶体虽能提供足够的力，但其微小变形和过度刚性限制了在软体机器人中的应用。而柔性聚合物，如典型的聚偏氟乙烯基铁电聚合物和介电弹性体，虽能实现大变形，但其低模量导致输出力有限，且大变形通常仅在接近击穿电场时获得，存在安全风险。因此，开发一种既能大幅变形又能输出强大作用力的电活性聚合物驱动器，成为该领域迫在眉睫的挑战。

近日，西安交通大学陈小明教授、张洁副教授和西北工业大学易城林教授合作提出了一种创新策略，通过外部电场调控氧化铝包裹的碳纳米管在弛豫型铁电聚合物基体中的排列方向，成功解决了高变形能力与高刚性之间的固有冲突。研究表明，与纯聚合物相比，含有水平排列和垂直排列纳米管的复合材料其厚度应变分别提高了473%和814%，驱动梁的弯曲角度高达215°。更重要的是，水平排列的纳米管通过“面增强效应”提升了局部刚度，使驱动器在30 V/µm电场下实现了每单位体积1.25 mN/mm³的高输出力，不仅比纯聚合物高出约346%，甚至优于已报道的陶瓷驱动器。基于此制备的软体机器人能够攀爬高达52°的斜坡，并承载相当于自身重量八倍的负载。相关论文以“Tailoring conductive nanofiller alignment for high actuation strain and output force in electroactive polymers”为题，发表在

Nature Communications

研究团队首先采用原子层沉积技术制备了核壳结构的氧化铝包裹碳纳米管，并利用电场辅助流延成型法，成功调控了纳米管在聚合物基体中的排列方向，获得了纳米管随机分布、垂直排列及水平排列的纳米复合材料。扫描电镜图像清晰展示了不同样品的截面形貌，而偏振拉曼光谱进一步证实了纳米管沿施加电场方向呈现择优取向。X射线衍射分析表明，纳米复合材料的结晶度随纳米管含量增加略有提高，并且存在从γ相向β相的轻微转变。

图 1 | 具有定向排列Al₂O₃@CNTs的纳米复合材料的制备与表征. a 本软体机器人系统的示意图，该系统能够执行攀爬和载重任务。b 通过施加电场制备纳米管垂直或水平排列于膜表面的纳米复合材料的示意图。(b)上方的插图为R-RT-TS样品截面的SEM图像。(b)下方的插图为Al₂O₃@CNTs的TEM图像。Al₂O₃厚度约为5 nm。c, d 纳米管垂直排列(c)和水平排列(d)的纳米复合材料截面的SEM图像。e, f V-RT-TS膜(e)和H-RT-TS膜(f)在方位角为0°和90°时G波段(1588 cm⁻¹)的拉曼位移。g, h 不同浓度和排列方向的Al₂O₃@CNTs纳米复合材料的XRD图谱(g)及基于XRD图谱计算的结晶度(h)。

在电机械性能方面，研究系统评估了纳米复合材料的厚度应变、介电性能、击穿强度和机械性能。结果表明，所有含有纳米管的样品在相同电场下均表现出比纯聚合物更高的厚度应变，其中垂直排列的样品在低电场下应变提升最为显著。水平排列的样品则成功平衡了高介电常数与较低的介电损耗，并展现出更高的击穿强度。有限元模拟显示，垂直排列的纳米管导致局部电场高度集中，增加了击穿风险；而水平排列的纳米管则有效降低了局部电场强度，延长了电树枝发展路径。此外，纳米管的加入提升了复合材料的杨氏模量，而水平排列的样品通过“面增强效应”实现了整体刚度的最大提升。

图 2 | 具有不同浓度和排列方向Al₂O₃@CNTs的纳米复合材料的厚度应变、电学性能和力学性能. a 不同浓度和排列方向的纳米复合材料在30 V/μm和90 V/μm电场下的厚度应变。b, c 不同浓度和排列方向的纳米复合材料的介电性能(b)和击穿强度(c)。c中的误差棒代表使用不同样品至少九次测量得到的标准差。d 纳米管垂直和水平排列的纳米复合材料中电场分布的模拟结果。e 不同浓度和排列方向的纳米复合材料的介电常数与杨氏模量之比(εᵣ/Y)。e中的误差棒代表使用不同样品至少六次测量得到的标准差。f 不同纳米复合材料的电滞回线(P-E loops)。g 纳米管垂直和水平排列的纳米复合材料中极化分布的模拟结果。(d和g中的色标图表示纳米复合材料中电场和极化的变化)。h V₁.₁-RT-TS样品选定区域的面外PFM振幅和相位图像。h中施加了±45 V的直流调制电压。i Al₂O₃@CNTs周围不同位置的振幅和相位滞后回线。i的插图示出了纳米复合材料区域的形貌，并标注了测量点(3, 6, 9, 10, 11)以及样品在不同X轴位置的高度曲线。

为了探究性能提升的内在机理，研究人员通过压电力显微镜和局部电滞回线测量发现，靠近纳米管的聚合物区域其电偶极子在低电压下更容易发生翻转。拉曼光谱结果进一步表明，在垂直和水平排列的样品中，纳米管周围区域的聚合物β相显著增强。这表明界面电荷积累和分子链构象向全反式构型的转变，是增强电致伸缩应变的关键因素。

图 3 | Al₂O₃@CNTs对纳米复合材料构象转变的影响. a Al₂O₃@CNTs、纯RT-TS及含有Al₂O₃@CNTs的纳米复合材料的拉曼光谱。b-d R-RT-TS (b)、V-RT-TS (c)和H-RT-TS (d)样品在1588 cm⁻¹、847 cm⁻¹和812 cm⁻¹处的拉曼强度分布图。虚线包围的区域表示Al₂O₃@CNTs浓度高于其他区域的区域(适用于b-d)。e 电场下Al₂O₃@CNTs对构象转变影响的示意图。

基于优异的材料性能，研究团队制备了悬臂梁驱动器。水平排列纳米管制成的驱动器在约30 V/µm的电场下实现了高达215°的弯曲角度，而纯聚合物驱动器在相同条件下形变可忽略不计。同时，该驱动器的输出力达到4.7 mN，比纯聚合物驱动器高出约330%。有限元模拟揭示了不同排列方式的纳米管对刚度的“点增强”与“面增强”效应，解释了水平排列样品具有最高平均刚度和输出力的原因。经过20000次循环测试，驱动器性能仅略有下降，显示出良好的稳定性。与已报道的各类驱动器相比，该纳米复合驱动器在单位体积输出力与弯曲角度方面均展现出显著优势。

图 4 | EAP驱动器的驱动性能. a 显示H₁.₁-RT-TS驱动器随驱动电场增加而形变情况的光学照片。b, c 由不同浓度和排列方向的Al₂O₃@CNTs制成的驱动器在不同电场下的弯曲角度(b)和靠近固定端的输出力(c)。c中的插图示出了驱动器梁的输出力和弯曲角度的示意图。d 纯RT-TS和经Al₂O₃@CNTs改性的纳米复合材料的平均刚度。d左上角的插图说明了原子力显微镜峰值力模式的测量原理。d中的插图显示了不同纳米复合材料膜的刚度分布。d中的误差棒代表从样品上标记的十六个点的数值得到的标准差。e 在相同压缩力下，纯RT-TS、V-RT-TS和H-RT-TS膜的模拟应力分布。f 纳米管垂直排列和水平排列的纳米复合材料分别对刚度产生“点增强”和“面增强”效应的示意图。g 在施加34 Vpp/μm的交流电场下，H₁.₁-RT-TS驱动器经过20000次循环的输出力稳定性和重复性。h 本工作中制备的悬臂梁驱动器自由端的单位体积输出力及相应弯曲角度与其他已报道工作[48–58]的对比。

最后，研究团队展示了基于该高性能驱动器的仿生软体机器人。仿青蛙机器人能够在25 V/µm、5 Hz的交流电场驱动下，以24.0 mm/s的速度在锯齿状表面快速爬行。而仿尺蠖机器人则凭借其低重心和高输出力的优势，成功攀爬了52°的陡坡，并在平滑的30°坡面上保持移动。负载测试中，仿尺蠖机器人能够承载相当于自身总重8倍、驱动器自身质量112倍的重物（1.57克），展现了强大的负重运输能力。驱动器的动态响应测试也证实了其具备快速响应和宽频带工作的特性。

图 5 | 由EAP驱动器制成的软体机器人及其性能. a 仿青蛙软体机器人的设计及其横截面视图中的不同步态。b 由H₁.₁-RT-TS驱动器制成的仿青蛙软体机器人在锯齿状表面的爬行过程。b中的插图示出了锯齿状表面的几何尺寸。c 由纯RT-TS和H₁.₁-RT-TS驱动器制成的仿青蛙软体机器人在不同驱动电场和频率下的爬行速度。c中插入的照片描绘了仿青蛙软体机器人在沙地上的爬行过程。d “仿尺蠖”软体机器人的设计及其横截面视图中的不同步态。e 由H₁.₁-RT-TS驱动器制成的“仿尺蠖”软体机器人在锯齿状表面的爬行过程。f 由纯RT-TS和H₁.₁-RT-TS驱动器制成的“仿尺蠖”软体机器人在不同驱动电场和频率下的爬行速度。g 在20°斜坡上，由纯RT-TS和H₁.₁-RT-TS驱动器制成的软体机器人的爬行过程对比（驱动条件：78 V/μm, 1 Hz）。h 在40°斜坡上，由H₁.₁-RT-TS驱动器制成的软体机器人的爬行过程（驱动条件：25 V/μm, 5 Hz）。i 在52°斜坡上，由H₁.₁-RT-TS驱动器制成的软体机器人的爬行过程（驱动条件：25 V/μm, 0.5 Hz）。j 在30°平滑坡道上，由H₁.₁-RT-TS驱动器制成的软体机器人的爬行过程（驱动条件：25 V/μm, 5 Hz）。k 负载0.14 g时，分别由H₁.₁-RT-TS（左）和纯RT-TS（右）驱动器制成的“仿尺蠖”软体机器人的爬行过程对比。l 由H₁.₁-RT-TS驱动器制成的软体机器人负载1.57 g时的爬行过程。图中所有比例尺均为1 cm。

这项研究通过精确调控纳米填料的排列方向，成功打破了电活性聚合物驱动器性能的长期瓶颈，为实现兼具大变形、高输出力、快速响应和良好稳定性的软体机器人驱动系统提供了可行的解决方案。这一突破性进展不仅推动了高性能软体驱动器的发展，也为未来在生物技术、医疗技术、精密仪器和仿生应用等领域的创新应用开辟了新的道路。