《Nano Letters》康奈尔-清华-西湖大学研究团队合作揭示微尺度表面电化学执行器的电力化耦合机制

近年来，微型机器人、可重构微器件和微流控系统快速发展，对能够在有限空间内实现低电压驱动、大幅机械变形并与微型集成电路兼容的微型执行器提出了新的需求。大型机器人可以采用电机、齿轮和液压系统等驱动，但当机器缩小到细胞尺度，这些传统部件很难继续等比例缩小。微型机器人不仅需要传感器、通讯接口和控制电路作为“大脑”，还需要能够真正产生运动的执行器作为“手脚”。理想的微型执行器必须足够薄、驱动电压低、响应快，并且能够用标准半导体工艺批量制造。更重要的是，它还要能够与互补金属氧化物半导体（CMOS）电路直接集成。否则，微型机器人即使能够移动，也更像由外部光场或磁场操控的“提线木偶”，而不是能够感知、计算并自主行动的机器。

铂基表面电化学执行器（surface electrochemical actuator，SEA）正是为解决这一问题发展起来的一类超薄驱动器。它通常由几纳米厚的铂层和钛层组成，能够在水溶液中通过约1伏的电信号产生可逆弯曲。由于结构极薄，它的弯曲半径可以缩小到亚微米尺度，同时还能兼容微电子制造流程。这类SEA驱动器可将纳米尺度的界面化学转化为微米尺度的机械运动，具有结构轻薄、驱动电压低和易于电子寻址等特点。虽然该类执行器已在微型机器人运动、微流控等领域展现出应用前景，但由于在执行器工作过程中，表面氧化生长、应力积累和结构变形相互耦合，传统模型难以精准预测器件性能，使得器件设计长期依赖经验和试错。

针对这一难题，近日，康奈尔大学张金松博士与清华大学航天航空学院张迎超副研究员、西湖大学工学院王伟助理教授等合作，建立了面向铂/钛表面电化学执行器的“电-力-化”耦合理论框架。研究团队通过耦合分析表面电化学执行器的氧化动力学、内部应力演化与结构变形，揭示了基于金属铂（Pt）的电化学执行器表面自限制氧化的物理机制，并进一步建立了力学参数（薄膜厚度、初始预应力等）、电学驱动（电压、驱动时间）与氧化动力学过程之间的相互作用关系，为相关制动器的设计和性能调控提供了理论支撑。

本研究所采用的SEA由纳米级铂/钛（Pt/Ti）双层薄膜构成（图1）。在正向电势作用下，铂表面发生氧化并形成超薄氧化铂层（PtOₓ）。氧化引起的体积膨胀受到下方铂/钛薄膜的机械约束，进而产生失配应变和弯曲力矩，驱动执行器改变曲率；施加反向电势后，PtOₓ被还原，氧化产生的应变得到释放，执行器随之恢复至初始状态。

研究团队发现，这一过程并不是由电化学反应单向驱动机械变形，而是包含显著的双向反馈。随着氧化层逐渐增厚，作用于反应界面的有效电场不断衰减；与此同时，受约束氧化在PtOₓ层中产生较大的压应力，提高了继续氧化的能量代价。有效电场衰减和压应力积累共同抑制氧化层进一步生长，使反应由初期的快速氧化逐渐进入自限状态。值得注意的是，PtOₓ层中的压应力还具有双重作用：一方面，它形成驱动执行器弯曲的关键机械力矩；另一方面，它通过力化学反馈抑制后续氧化。由此，执行器内部的机械应力既参与产生运动，又参与限定最终运动幅度。

图1铂/钛表面电化学执行器及其电—化—机耦合。a图为释放后的执行器结构；b图为铂表面氧化还原引起可逆弯曲的工作原理；c、d图为代表性驱动状态

随着PtOₓ层形成，PtOₓ、Pt和Ti各层中的应力持续重新分配，同时多层薄膜的中性轴位置和等效弯曲刚度也随之变化（图2）。执行器的最终曲率取决于氧化诱导弯矩、多层结构刚度和层间应力重分配之间的共同作用。因此，即使形成相近厚度的氧化层，不同的薄膜几何尺寸和初始应力状态仍可能产生不同的机械响应。

图2表面电化学执行器的驱动响应与应力重分配。模型能够预测执行器的曲率响应，并可预测PtOₓ、Pt和Ti层中应力随电压、时间和厚度方向的动态演化。

在此基础上，研究团队系统分析了总金属层厚度、铂层比例、初始残余曲率、驱动电压和氧化时间等参数对执行性能的影响，构建了兼顾机械行程和结构可靠性的设计图谱（图3）。研究表明，SEA的有效工作范围是有限的：金属层过厚时，执行器的弯曲响应受到结构刚度限制；在极薄尺度下，薄膜连续性和制备波动又会成为主要约束。类似地，初始预应力过小会限制可调节的初始曲率，而预应力过大时，有限的氧化诱导弯矩又不足以完全抵消原有弯曲状态（图4）。

图3表面电化学执行器的厚度、组成与铰链尺度设计图谱。图中展示了总金属层厚度、铂层比例和铰链长度对曲率变化、转角及阻挡力的影响。

电压和驱动时间同样不存在简单的“越大越好”关系。超过氧化启动阈值后，执行器曲率对电压较为敏感，但由于氧化迅速进入自限状态，继续延长驱动时间只能带来有限的行程增量。过强驱动还可能重新分配多层薄膜中的拉应力，增加局部失效风险。基于这些规律，所建立的模型可以从目标曲率变化或目标铰链转角出发，反向确定可行的材料厚度、组成、预应力和电压、驱动时间等条件，为SEA从经验试错转向模型驱动设计提供了理论基础。

图4初始预应力与电压—时间工作窗口。模型和实验共同表明，初始曲率会影响可寻址行程；电压和氧化时间则共同决定曲率变化及金属层中的最大拉应力。

此前，张金松与王伟围绕SEA器件的应用与异构集成开展了系列合作研究。2024年，张金松与王伟及合作者在《芯片实验室》（Lab on a Chip 24 (19), 4549-4557）发表研究成果，利用两路具有相位差的周期信号控制人工纤毛中的两个可独立驱动铰链，通过改变铰链运动顺序实现高效双向微流体泵送，验证了SEA在可编程微流控中的应用能力。同年，他们还与合作者进一步研究微纳米执行器与微型集成电路的异构集成和功能应用，并在《科学·机器人》（Science Robotics 9 (96), eadn8067）报道了SEA机械单元与脉冲耦合互补金属氧化物半导体（CMOS）振荡器相结合的研究。

这些前期研究分别展示了SEA在人工纤毛驱动、双向流体输运以及与集成电路异构集成等方面的潜力与应用前景。本项研究进一步从基础机制和定量设计层面解释了这些器件为何能够产生特定幅度的机械运动、其运动为何趋于饱和，以及材料结构和电驱动条件应如何选择，从而形成了从器件应用、电路集成到机理分析和预测设计的完整研究链条。

该理论框架有望用于电子可寻址人工纤毛、可重构微流控系统、微型泵阀和CMOS集成微型机器人等器件的设计。由于模型的基本物理要素是表面受限的电化学转化、转化应变以及被动层的机械约束，该方法也可为其他基于表面氧化还原、离子输运或界面相变的微型电化学执行器提供参考。

相关研究成果以“电子可编程表面电化学执行器中的电-力-化耦合”（Electro-chemo-mechanical coupling in electronically programmable surface electrochemical actuators）为题，发表在《纳米快报》（Nano Letters）上。康奈尔大学张金松为论文第一作者兼通讯作者，清华大学航天航空学院张迎超副研究员和西湖大学工学院王伟助理教授为论文共同通讯作者。论文作者还包括上海交通大学集成电路学院刘清坤副教授、西湖大学访问学生任茂嘉、博士生柏琛和高天宇。该研究得到了西湖大学未来产业研究中心和西湖教育基金会的支持。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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