阿尔伯塔大学曾宏波院士AM：电场调控摩擦力实现“从粘滞到滑溜”的突破，离子水凝胶开启智能摩擦控制！

摩擦、磨损与润滑的管控——即摩擦学——深刻影响着现代社会的能源效率、设备寿命与生活质量。全球约23%的能源消耗源于摩擦接触，因此降低摩擦损耗至关重要。目前，宏观尺度的摩擦控制多依赖液体润滑剂，存在密封要求严苛、易腐蚀材料、且调节幅度有限等挑战。实现无需外润滑剂、可在“高摩擦”的干摩擦状态与“超低摩擦”状态之间实时、大幅调控的技术，成为推动自适应智能系统发展的关键需求。

近日，阿尔伯塔大学曾宏波院士、清华大学田煜教授提出了一种基于离子水凝胶的电场调控摩擦新策略。研究人员采用掺杂双（三氟甲磺酰）亚胺锂（LiTFSI）的聚乙烯醇（PVA）水凝胶作为电响应摩擦材料，在与金属球对磨时，仅通过施加低电压（-30V至+30V），即可实现超过五十倍的可逆摩擦系数调节，且无需任何外部润滑剂。其中，在-30V电压下（金属球接负极），摩擦系数可低至0.03，达到超低摩擦状态；而在0V或+30V时，摩擦系数则高达1-2，回归强粘滞状态。机理分析表明，对离子水凝胶施加正电荷会触发富含盐分的界面层电渗析出，从而大幅降低摩擦。该研究进一步展示了首个基于电场调谐摩擦驱动的爬行机器人及机械臂精准操控应用，为开发自适应、高能效的机器人及机械系统确立了新范式。相关论文以“Electrically Tunable Friction: From Sticky to Slippery with Ionic Hydrogels”为题，发表在

Advanced Materials

研究的灵感来源于对动态摩擦控制的需求，例如爬行机器人需要头部和尾部交替呈现高低摩擦力来实现前进。为实现这种干态下的实时摩擦控制，团队创新性地利用电场来调控离子水凝胶与金属接触界面处的润滑物质。他们选用了PVA/LiTFSI复合材料与金属同时作为摩擦副和电极。在没有外加电场时，水凝胶内的阴阳离子随机分布；一旦施加电场，LiTFSI会在电场驱动下迁移，在摩擦界面形成带电粒子的定向分布，从而改变摩擦行为。实验中的力-时间曲线清晰显示，仅通过改变电压，就能在不改变系统其他参数的条件下，将摩擦力在±40 mN与±0.8 mN之间精准控制。

图1： 示意图展示了电场调谐摩擦的潜在应用与设计原理。a) 受蠕虫蠕动运动启发的爬行机器人及电场调谐摩擦示意图；b) 通过冻融循环制备的PVA/LiTFSI结构图，由氢键和Li-O相互作用驱动；c) 不同电场下离子水凝胶与金属球间摩擦调控示意图。所提出的机制：当离子水凝胶作为阳极、金属球作为阴极连接时，金属表面形成可移除的边界膜；相反，将金属球作为阳极连接会导致氧化膜形成；d) PVA/LiTFSI与直径2毫米金属球在不同电压下的摩擦力随时间变化曲线。实验在20 mN法向载荷和2 mm s⁻¹滑动速度下进行。

研究人员通过简单的“一锅法”制备了透明均匀的PVA/LiTFSIₓ离子水凝胶。一系列表征揭示了LiTFSI的引入如何深刻改变PVA的结构与性能：X射线衍射显示LiTFSI破坏了PVA的结晶区，使其呈现非晶态；傅里叶变换红外光谱表明盐的加入破坏了PVA内部的氢键网络，释放出更多自由羟基；紫外-可见光谱、核磁共振氢谱和X射线光电子能谱进一步证实了Li⁺与PVA链的相互作用以及LiTFSI的成功掺杂。分子动力学模拟和小角X射线散射揭示了水凝胶内的非键合相互作用及LiTFSI对原始网络结构的显著扰乱。原子力显微镜相图显示，LiTFSI的加入使材料局部刚度更均匀。流变和拉伸测试表明，该离子水凝胶具有固态行为、结构稳定、自愈合能力强以及优异的拉伸性（断裂伸长率可达2370%）。此外，细胞实验证明其具有良好的生物相容性，低温测试显示其具备优异的抗冻结能力。

图2： PVA及PVA/LiTFSI的表征结果。a) PVA及PVA/LiTFSI的X射线衍射图谱；b) PVA及PVA/LiTFSI的紫外-可见吸收光谱；c) PVA及PVA/LiTFSI的¹H核磁共振谱；d) PVA/LiTFSI的X射线光电子能谱C 1s谱；e) PVA/LiTFSI分子动力学模拟快照；f) PVA及PVA/LiTFSI的小角X射线散射剖面及其相应的二维散射图案(g)；h) 纯PVA涂层与PVA/LiTFSI₅₀涂层的原子力显微镜相图；i) NIH/3T3细胞活/死染色图像。

在摩擦性能测试中，当离子水凝胶作为阳极、钢球作为阴极并施加-30V电压时，系统达到超低摩擦状态，摩擦系数约为0.03；而在无电压或正电压下，摩擦系数则高达1-2。这种调控幅度远超以往宏观电场控摩擦研究（通常仅有数倍变化）。研究还系统考察了速度、载荷对摩擦系数的影响，并计算了施加电场带来的节能效益：在较高速度和载荷下，摩擦降低所节省的功率远超控制电路本身消耗的功率（9 μW）。与以往依赖液体润滑的宏观电场控摩擦研究相比，本工作在机制和性能上均实现了根本性突破，首次在无外润滑剂条件下实现了摩擦系数从超低值到干接触水平的跨越1-2个数量级的可逆调控。

图3： PVA/LiTFSI与钢球在不同电压下干滑摩擦测试示意图及摩擦学结果。a) 电场调谐摩擦示意图，其中含水量20–67%的离子水凝胶同时作为正极和下摩擦副，钢球作为负极和上摩擦副；b) 不同电压下摩擦测试过程中的摩擦系数。测试条件：载荷20 mN，时长600 s，滑动速度2 mm s⁻¹，室温；c) 电压对PVA/LiTFSI₅₀与钢球间摩擦系数的影响，测量条件：滑动速度2 mm s⁻¹，载荷5 mN；d) 无外加电压时，速度与载荷对摩擦系数的影响；e) 施加-30V电压时，速度与载荷对摩擦系数的影响；f) 在不同速度与载荷下，施加-30V电压前后因摩擦力降低而节省的功率。9 μW是施加-30V电压用于摩擦控制的功耗；g) 施加-30V电压时，速度/载荷与摩擦系数的关系；h) 与以往研究的比较：横轴为发表年份，纵轴为宏观尺度电场控制引起的摩擦系数变化范围；i) 在±30V和0V交替电压下，摩擦系数随时间变化的曲线。

为了阐明机理，团队对磨痕和磨斑进行了深入的成分与微纳结构分析。光学光热红外光谱和飞行时间二次离子质谱分析发现，在-30V下，钢球表面形成了一层约14.2纳米厚、富含Li、F、S元素的润滑边界膜，该膜主要来源于PVA/LiTFSI。X射线光电子能谱价态分析进一步证实了边界膜的组成。对比实验表明，优异的润滑性能主要归功于TFSI⁻阴离子，而非Li⁺阳离子。原子力显微镜力测量显示，LiTFSI溶液中的PVA链间粘附力显著低于水中的粘附力，表明表面吸附的离子大大削弱了界面相互作用。

图4： 不同电压下摩擦测试后钢球上磨痕及离子水凝胶上磨斑的成分与结构表征。a) -30V下钢球表面磨痕的显微形貌，以及表面分布(b)和相应的特征峰(c)；d) 飞行时间二次离子质谱结果显示-30V下摩擦测试后钢球表面磨痕的成分随深度的变化；e-h) 钢球表面磨痕内Li、F、S和Fe元素的二维飞行时间二次离子质谱分布图；i) ±30V电压下获得的磨斑和磨痕的X射线光电子能谱全谱；j) 和 k) 分别为+30V和-30V下钢球表面磨痕中Li、F、S和Fe元素的X射线光电子能谱谱图。磨痕和磨斑来自载荷20 mN、滑动速度2 mm s⁻¹下进行600秒摩擦实验的样品。

图5： 电场调谐摩擦的机制研究。a) 纯PVA在不同液体润滑下与钢球配对进行摩擦测试时，摩擦系数随时间的变化；b) 纯PVA与钢球在LiCl、LiTFSI或KTFSI不同浓度水溶液润滑下的滑动摩擦系数；c) 在1 M LiTFSI水溶液润滑下，不同速度和载荷下摩擦系数与速度/负载的关系；d) 液体（如水或LiTFSI溶液）中PVA涂层间原子力显微镜力测量示意图；在水中(e)或在LiTFSI溶液中(f)的力直方图及代表性力-距离曲线；g) 两种条件下摩擦系数随时间的变化：有液体润滑但无外加电场，以及无液体润滑但有外加电场。在(g)的第一种情况下，摩擦副为纯PVA和钢球，使用1 M LiTFSI水溶液作为润滑剂；在第二种情况下，摩擦副为PVA/LiTFSI₅₀和钢球。实验在(a)中载荷20 mN，(b)和(g)中载荷10 mN，滑动速度2 mm s⁻¹下进行。

基于这一突破性的摩擦控制系统，研究团队展示了其广阔的应用潜力。他们通过实验演示了：在镀有PVA/LiTFSI的钛合金滑块与锡箔轨道系统中，施加电场可使滑块在极小倾角（8°）下启动滑动，而断电时即使在70°陡坡上也保持静止；模拟了通过电场调节船模与金属滑道间摩擦力，实现其平稳入水的“船舶下水”过程；在机器人抓取释放实验中，通过“摩擦系数控制”（电场调控）实现了比单纯“法向力控制”更平稳、可控的物品释放；最终，成功构建并演示了首个由电场调控摩擦驱动的爬行机器人，该机器人通过交替改变前后模块与轨道间的摩擦力，实现了类似蠕虫的定向爬行运动。

图6： 电场调谐摩擦的潜在应用。a) 镀有PVA/LiTFSI₅₀的钛合金滑块在锡箔表面上的滑动过程，以及b) 电场对其滑动行为的影响。在后一种情况下，镀有PVA/LiTFSI₅₀的钛合金滑块作为正极，滑动轨道作为负极；c) 模拟船舶下水：基底涂有PVA/LiTFSI₅₀的船模在金属表面上受电控制滑入水中；d,e) 通过控制法向载荷(d)或施加外电场调节摩擦系数(e)来实现机器人抓取和释放苏打水瓶的照片。在(d)中，通过调整夹爪臂的相对位移来调节法向载荷以实现释放过程。在(e)中，苏打水瓶作为阴极，镀有PVA-LiTFSI的机器人夹爪作为阳极，施加电压32 V；f) 两种情况下苏打水瓶释放过程的相对高度-时间曲线及放大细节；由电场调谐摩擦驱动的爬行机器人的照片(g)和示意图(h)。该机器人由模块1、模块2和伸缩制动器组成，一个伸缩电极驱动周期约2.7秒。模块1和模块2底部均镀有铜导电胶带和PVA-LiTFSI层。在模块2与铝轨之间交替施加18 V直流电压；i) 蠕虫机器人中心相对水平位移随时间的变化函数。

本研究展示了一种无需外润滑剂的电场调谐摩擦突破性方案，在宏观尺度上实现了离子水凝胶与金属间摩擦系数超过五十倍的调制。与传统的宏观电场控摩擦策略不同，该方法避免了密封问题和材料腐蚀风险，极大地拓展了应用场景。其核心机制在于电场驱动下LiTFSI盐分的电渗析出，在摩擦副表面形成润滑膜。这项工作不仅为电场调谐摩擦机制提供了新见解，更为船舶下水、机器人操控等领域带来了新的应用可能。特别是首次实现的电场控摩擦爬行机器人，为开发轻量化、模块化、高能效的自适应机器人系统提供了全新范式。