《npj Flexible Electronics》：Muscle-inspired, high-bandwidth ionic actuators enabled by fibrillar ion-transport networks
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传统Nafion基离子促动器受限于水合依赖的离子传导以及电导率与机械刚度之间的固有矛盾。研究人员通过PEG介导的表面功能化，构建了PEG-二氧化硅杂化离子电活性Nafion (Ps-iEN)，引入了介观界面离子传输网络。该设计缓解了离子液体导致的基质软化，实现了离子传导与机械性能的部分解耦。所得促动器在低驱动电压下表现出增强的闭锁力，可在空气中以高达50 Hz的频率稳定运行超过30,000次循环，并展示了类似骨骼肌的频率编码运动行为，为高带宽软体致动器和人工肌肉提供了新平台。
想象一下，未来我们可能会穿上能够精准提供触觉反馈的“智能皮肤”，或者操控由柔软材料构成的机器人执行复杂精细的任务。实现这些愿景的关键部件之一，是能够将电能转化为机械运动的“人造肌肉”——离子促动器。其中，基于Nafion（一种全氟磺酸聚合物）的离子促动器因其驱动电压低、形变大而备受关注。然而，通往实用化的道路上矗立着两座难以逾越的大山：其一，是它们严重依赖环境湿度来传输离子，一旦离开湿润环境，性能便急剧下降；其二，是长期以来难以调和的矛盾——为了提高离子电导率，通常需要掺入大量离子液体，但这会严重软化材料基质，导致机械刚度下降、输出力微弱，难以支撑实际负载。更棘手的是，这种软化和性能衰减还会随着工作频率的升高而加剧，使得促动器无法稳定地进行快速、高频率的响应，这极大地限制了它们在需要快速、精准、稳定运动的场景（如高频触觉反馈、仿生机器人快速运动）中的应用。
为了解决这些瓶颈，一个研究团队在《npj Flexible Electronics》期刊上发表了一项创新工作。他们从人体骨骼肌精密的微观结构中汲取灵感，设计并制备了一种名为“PEG-二氧化硅杂化离子电活性Nafion (PEG-silica-hybridized ionic electroactive Nafion, 简称 Ps-iEN)”的新型电解质材料。这项研究的核心目标是，能否在不牺牲离子传输效率的前提下，强化材料结构，从而打破电导率与机械性能之间的“魔咒”，制造出既能输出大力、又能高速稳定运行的离子促动器。
研究人员主要运用了材料合成与功能化、结构表征、机电性能测试以及仿生运动演示等关键技术方法。他们通过溶胶-凝胶法结合表面功能化工艺，将聚乙二醇 (Polyethylene glycol, PEG) 和二氧化硅 (silica) 网络引入Nafion基体，构建了独特的介观尺度纤维状离子传输网络。通过系统地调节PEG的掺杂比例，制备了一系列Ps-iEN薄膜，并以此为核心组装成三明治结构的离子促动器。研究团队对这些促动器的微观形貌、化学成分、机械性能、电化学特性以及最终的致动性能（如输出力、位移、频率响应、耐久性等）进行了全面而深入的测试与分析。
引入PEG构建了杂化界面与增强的离子传输网络
通过扫描电子显微镜 (Scanning Electron Microscope, SEM) 和透射电子显微镜 (Transmission Electron Microscope, TEM) 观察发现，成功的PEG功能化在Nafion纤维表面均匀包裹了一层杂化层，形成了独特的核壳结构。X射线光电子能谱 (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 和傅里叶变换红外光谱 (Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR) 分析证实，PEG链通过化学键合与Nafion的磺酸根基团及二氧化硅网络相连。这种结构不仅在Nafion纤维之间搭建了连续的、类似于肌肉中毛细血管网络的离子传输通道，而且二氧化硅网络的加入显著增强了材料的机械稳定性。
Ps-iEN实现了离子传导与机械性能的部分解耦
性能测试数据有力地支持了设计初衷。电化学阻抗谱 (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS) 显示，最优化的Ps(15)-iEN（PEG含量为15 wt%）薄膜在干燥空气中仍保持较高的离子电导率。更为关键的是，动态机械分析 (Dynamic Mechanical Analysis, DMA) 表明，与掺有离子液体后严重软化的纯Nafion相比，Ps-iEN系列材料的储能模量（表征刚度）得到了显著提升，最高可增强一个数量级。这意味着，PEG-二氧化硅杂化网络有效地抵御了离子液体对聚合物基质的塑化软化效应，从而实现了“高离子电导率”和“高机械刚度”这两个原本相互冲突的属性的部分解耦。
促动器展现出卓越的高频致动性能与耐久性
基于Ps-iEN材料组装的促动器在低至3V的驱动电压下，即能产生比传统Nafion促动器高出数倍的闭锁力。在频率响应测试中，Ps-iEN促动器在高达50 Hz的驱动频率下，依然能保持稳定且可重复的致动应变，而传统促动器在此频率下性能已严重衰减或失效。长期循环测试进一步证明了其可靠性，在空气中连续运行超过30,000次循环后，Ps-iEN促动器的性能衰减可以忽略不计，展现了出色的操作耐久性。
再现骨骼肌的频率编码收缩行为
受肌肉在不同神经刺激频率下产生不同收缩模式（如单收缩、不完全强直收缩、完全强直收缩）的启发，研究人员探索了Ps-iEN促动器在不同频率电信号下的动态响应。他们发现，通过调节驱动电压的频率，促动器可以呈现出与骨骼肌高度相似的、可区分的运动状态：在低频单脉冲刺激下产生“单颤搐”响应；在一定频率的脉冲串刺激下产生“脉动”响应；在更高频率刺激下则出现“部分融合”的持续收缩响应。这种频率编码的运动行为，使得Ps-iEN促动器在模仿生物肌肉的智能运动控制方面迈出了重要一步。
该研究得出结论，通过PEG介导的表面功能化策略所构建的Ps-iEN材料，成功地在Nafion基体中创建了一个仿生的、介观尺度的纤维状离子传输网络。这一创新设计巧妙地缓解了离子导体中离子电导率与机械刚度之间长期存在的矛盾。由此制得的高性能离子促动器，综合表现出高输出力、高工作带宽（高达50 Hz）、优异的空气稳定性与超长循环寿命，并且能够模拟骨骼肌的频率编码特性。
这项工作的意义重大。它不仅为下一代高性能离子电活性材料与器件提供了一个通用的、以性能为导向的电解质平台，更在于其展示了一条通过仿生结构设计来协调材料多功能属性的有效路径。研究人员在讨论中指出，这项工作有望直接推动多个前沿领域的发展：为需要快速、精准、大力输出的“人工软体肌肉”提供了核心材料；为虚拟现实/增强现实 (VR/AR) 中的“可穿戴触觉接口”实现丰富、稳定的力反馈奠定了基础；也为“纤维集成软体机器人电子器件”中实现稳定且频率可调的致动功能开辟了新的可能性。总之，这项研究突破了传统离子促动器的性能瓶颈，为未来高性能软体致动器与仿生系统的实用化铺平了道路。
