阿爾伯塔大學(xué)曾宏波院士AM：電場(chǎng)調(diào)控摩擦力實(shí)現(xiàn)“從粘滯到滑溜”的突破，離子水凝膠開啟智能摩擦控制！

摩擦、磨損與潤(rùn)滑的管控——即摩擦學(xué)——深刻影響著現(xiàn)代社會(huì)的能源效率、設(shè)備壽命與生活質(zhì)量。全球約23%的能源消耗源于摩擦接觸，因此降低摩擦損耗至關(guān)重要。目前，宏觀尺度的摩擦控制多依賴液體潤(rùn)滑劑，存在密封要求嚴(yán)苛、易腐蝕材料、且調(diào)節(jié)幅度有限等挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)無(wú)需外潤(rùn)滑劑、可在“高摩擦”的干摩擦狀態(tài)與“超低摩擦”狀態(tài)之間實(shí)時(shí)、大幅調(diào)控的技術(shù)，成為推動(dòng)自適應(yīng)智能系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵需求。

近日，阿爾伯塔大學(xué)曾宏波院士、清華大學(xué)田煜教授提出了一種基于離子水凝膠的電場(chǎng)調(diào)控摩擦新策略。研究人員采用摻雜雙（三氟甲磺酰）亞胺鋰（LiTFSI）的聚乙烯醇（PVA）水凝膠作為電響應(yīng)摩擦材料，在與金屬球?qū)δr(shí)，僅通過(guò)施加低電壓（-30V至+30V），即可實(shí)現(xiàn)超過(guò)五十倍的可逆摩擦系數(shù)調(diào)節(jié)，且無(wú)需任何外部潤(rùn)滑劑。其中，在-30V電壓下（金屬球接負(fù)極），摩擦系數(shù)可低至0.03，達(dá)到超低摩擦狀態(tài)；而在0V或+30V時(shí)，摩擦系數(shù)則高達(dá)1-2，回歸強(qiáng)粘滯狀態(tài)。機(jī)理分析表明，對(duì)離子水凝膠施加正電荷會(huì)觸發(fā)富含鹽分的界面層電滲析出，從而大幅降低摩擦。該研究進(jìn)一步展示了首個(gè)基于電場(chǎng)調(diào)諧摩擦驅(qū)動(dòng)的爬行機(jī)器人及機(jī)械臂精準(zhǔn)操控應(yīng)用，為開發(fā)自適應(yīng)、高能效的機(jī)器人及機(jī)械系統(tǒng)確立了新范式。相關(guān)論文以“Electrically Tunable Friction: From Sticky to Slippery with Ionic Hydrogels”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究的靈感來(lái)源于對(duì)動(dòng)態(tài)摩擦控制的需求，例如爬行機(jī)器人需要頭部和尾部交替呈現(xiàn)高低摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)。為實(shí)現(xiàn)這種干態(tài)下的實(shí)時(shí)摩擦控制，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用電場(chǎng)來(lái)調(diào)控離子水凝膠與金屬接觸界面處的潤(rùn)滑物質(zhì)。他們選用了PVA/LiTFSI復(fù)合材料與金屬同時(shí)作為摩擦副和電極。在沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，水凝膠內(nèi)的陰陽(yáng)離子隨機(jī)分布；一旦施加電場(chǎng)，LiTFSI會(huì)在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下遷移，在摩擦界面形成帶電粒子的定向分布，從而改變摩擦行為。實(shí)驗(yàn)中的力-時(shí)間曲線清晰顯示，僅通過(guò)改變電壓，就能在不改變系統(tǒng)其他參數(shù)的條件下，將摩擦力在±40 mN與±0.8 mN之間精準(zhǔn)控制。

圖1： 示意圖展示了電場(chǎng)調(diào)諧摩擦的潛在應(yīng)用與設(shè)計(jì)原理。a) 受蠕蟲蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)啟發(fā)的爬行機(jī)器人及電場(chǎng)調(diào)諧摩擦示意圖；b) 通過(guò)凍融循環(huán)制備的PVA/LiTFSI結(jié)構(gòu)圖，由氫鍵和Li-O相互作用驅(qū)動(dòng)；c) 不同電場(chǎng)下離子水凝膠與金屬球間摩擦調(diào)控示意圖。所提出的機(jī)制：當(dāng)離子水凝膠作為陽(yáng)極、金屬球作為陰極連接時(shí)，金屬表面形成可移除的邊界膜；相反，將金屬球作為陽(yáng)極連接會(huì)導(dǎo)致氧化膜形成；d) PVA/LiTFSI與直徑2毫米金屬球在不同電壓下的摩擦力隨時(shí)間變化曲線。實(shí)驗(yàn)在20 mN法向載荷和2 mm s?1滑動(dòng)速度下進(jìn)行。

研究人員通過(guò)簡(jiǎn)單的“一鍋法”制備了透明均勻的PVA/LiTFSI?離子水凝膠。一系列表征揭示了LiTFSI的引入如何深刻改變PVA的結(jié)構(gòu)與性能：X射線衍射顯示LiTFSI破壞了PVA的結(jié)晶區(qū)，使其呈現(xiàn)非晶態(tài)；傅里葉變換紅外光譜表明鹽的加入破壞了PVA內(nèi)部的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，釋放出更多自由羥基；紫外-可見(jiàn)光譜、核磁共振氫譜和X射線光電子能譜進(jìn)一步證實(shí)了Li?與PVA鏈的相互作用以及LiTFSI的成功摻雜。分子動(dòng)力學(xué)模擬和小角X射線散射揭示了水凝膠內(nèi)的非鍵合相互作用及LiTFSI對(duì)原始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的顯著擾亂。原子力顯微鏡相圖顯示，LiTFSI的加入使材料局部剛度更均勻。流變和拉伸測(cè)試表明，該離子水凝膠具有固態(tài)行為、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、自愈合能力強(qiáng)以及優(yōu)異的拉伸性（斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)2370%）。此外，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證明其具有良好的生物相容性，低溫測(cè)試顯示其具備優(yōu)異的抗凍結(jié)能力。

圖2： PVA及PVA/LiTFSI的表征結(jié)果。a) PVA及PVA/LiTFSI的X射線衍射圖譜；b) PVA及PVA/LiTFSI的紫外-可見(jiàn)吸收光譜；c) PVA及PVA/LiTFSI的1H核磁共振譜；d) PVA/LiTFSI的X射線光電子能譜C 1s譜；e) PVA/LiTFSI分子動(dòng)力學(xué)模擬快照；f) PVA及PVA/LiTFSI的小角X射線散射剖面及其相應(yīng)的二維散射圖案(g)；h) 純PVA涂層與PVA/LiTFSI??涂層的原子力顯微鏡相圖；i) NIH/3T3細(xì)胞活/死染色圖像。

在摩擦性能測(cè)試中，當(dāng)離子水凝膠作為陽(yáng)極、鋼球作為陰極并施加-30V電壓時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到超低摩擦狀態(tài)，摩擦系數(shù)約為0.03；而在無(wú)電壓或正電壓下，摩擦系數(shù)則高達(dá)1-2。這種調(diào)控幅度遠(yuǎn)超以往宏觀電場(chǎng)控摩擦研究（通常僅有數(shù)倍變化）。研究還系統(tǒng)考察了速度、載荷對(duì)摩擦系數(shù)的影響，并計(jì)算了施加電場(chǎng)帶來(lái)的節(jié)能效益：在較高速度和載荷下，摩擦降低所節(jié)省的功率遠(yuǎn)超控制電路本身消耗的功率（9 μW）。與以往依賴液體潤(rùn)滑的宏觀電場(chǎng)控摩擦研究相比，本工作在機(jī)制和性能上均實(shí)現(xiàn)了根本性突破，首次在無(wú)外潤(rùn)滑劑條件下實(shí)現(xiàn)了摩擦系數(shù)從超低值到干接觸水平的跨越1-2個(gè)數(shù)量級(jí)的可逆調(diào)控。

圖3： PVA/LiTFSI與鋼球在不同電壓下干滑摩擦測(cè)試示意圖及摩擦學(xué)結(jié)果。a) 電場(chǎng)調(diào)諧摩擦示意圖，其中含水量20–67%的離子水凝膠同時(shí)作為正極和下摩擦副，鋼球作為負(fù)極和上摩擦副；b) 不同電壓下摩擦測(cè)試過(guò)程中的摩擦系數(shù)。測(cè)試條件：載荷20 mN，時(shí)長(zhǎng)600 s，滑動(dòng)速度2 mm s?1，室溫；c) 電壓對(duì)PVA/LiTFSI??與鋼球間摩擦系數(shù)的影響，測(cè)量條件：滑動(dòng)速度2 mm s?1，載荷5 mN；d) 無(wú)外加電壓時(shí)，速度與載荷對(duì)摩擦系數(shù)的影響；e) 施加-30V電壓時(shí)，速度與載荷對(duì)摩擦系數(shù)的影響；f) 在不同速度與載荷下，施加-30V電壓前后因摩擦力降低而節(jié)省的功率。9 μW是施加-30V電壓用于摩擦控制的功耗；g) 施加-30V電壓時(shí)，速度/載荷與摩擦系數(shù)的關(guān)系；h) 與以往研究的比較：橫軸為發(fā)表年份，縱軸為宏觀尺度電場(chǎng)控制引起的摩擦系數(shù)變化范圍；i) 在±30V和0V交替電壓下，摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線。

為了闡明機(jī)理，團(tuán)隊(duì)對(duì)磨痕和磨斑進(jìn)行了深入的成分與微納結(jié)構(gòu)分析。光學(xué)光熱紅外光譜和飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)，在-30V下，鋼球表面形成了一層約14.2納米厚、富含Li、F、S元素的潤(rùn)滑邊界膜，該膜主要來(lái)源于PVA/LiTFSI。X射線光電子能譜價(jià)態(tài)分析進(jìn)一步證實(shí)了邊界膜的組成。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，優(yōu)異的潤(rùn)滑性能主要?dú)w功于TFSI?陰離子，而非Li?陽(yáng)離子。原子力顯微鏡力測(cè)量顯示，LiTFSI溶液中的PVA鏈間粘附力顯著低于水中的粘附力，表明表面吸附的離子大大削弱了界面相互作用。

圖4： 不同電壓下摩擦測(cè)試后鋼球上磨痕及離子水凝膠上磨斑的成分與結(jié)構(gòu)表征。a) -30V下鋼球表面磨痕的顯微形貌，以及表面分布(b)和相應(yīng)的特征峰(c)；d) 飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜結(jié)果顯示-30V下摩擦測(cè)試后鋼球表面磨痕的成分隨深度的變化；e-h) 鋼球表面磨痕內(nèi)Li、F、S和Fe元素的二維飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜分布圖；i) ±30V電壓下獲得的磨斑和磨痕的X射線光電子能譜全譜；j) 和 k) 分別為+30V和-30V下鋼球表面磨痕中Li、F、S和Fe元素的X射線光電子能譜譜圖。磨痕和磨斑來(lái)自載荷20 mN、滑動(dòng)速度2 mm s?1下進(jìn)行600秒摩擦實(shí)驗(yàn)的樣品。

圖5： 電場(chǎng)調(diào)諧摩擦的機(jī)制研究。a) 純PVA在不同液體潤(rùn)滑下與鋼球配對(duì)進(jìn)行摩擦測(cè)試時(shí)，摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化；b) 純PVA與鋼球在LiCl、LiTFSI或KTFSI不同濃度水溶液潤(rùn)滑下的滑動(dòng)摩擦系數(shù)；c) 在1 M LiTFSI水溶液潤(rùn)滑下，不同速度和載荷下摩擦系數(shù)與速度/負(fù)載的關(guān)系；d) 液體（如水或LiTFSI溶液）中PVA涂層間原子力顯微鏡力測(cè)量示意圖；在水中(e)或在LiTFSI溶液中(f)的力直方圖及代表性力-距離曲線；g) 兩種條件下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化：有液體潤(rùn)滑但無(wú)外加電場(chǎng)，以及無(wú)液體潤(rùn)滑但有外加電場(chǎng)。在(g)的第一種情況下，摩擦副為純PVA和鋼球，使用1 M LiTFSI水溶液作為潤(rùn)滑劑；在第二種情況下，摩擦副為PVA/LiTFSI??和鋼球。實(shí)驗(yàn)在(a)中載荷20 mN，(b)和(g)中載荷10 mN，滑動(dòng)速度2 mm s?1下進(jìn)行。

基于這一突破性的摩擦控制系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)展示了其廣闊的應(yīng)用潛力。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)演示了：在鍍有PVA/LiTFSI的鈦合金滑塊與錫箔軌道系統(tǒng)中，施加電場(chǎng)可使滑塊在極小傾角（8°）下啟動(dòng)滑動(dòng)，而斷電時(shí)即使在70°陡坡上也保持靜止；模擬了通過(guò)電場(chǎng)調(diào)節(jié)船模與金屬滑道間摩擦力，實(shí)現(xiàn)其平穩(wěn)入水的“船舶下水”過(guò)程；在機(jī)器人抓取釋放實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)“摩擦系數(shù)控制”（電場(chǎng)調(diào)控）實(shí)現(xiàn)了比單純“法向力控制”更平穩(wěn)、可控的物品釋放；最終，成功構(gòu)建并演示了首個(gè)由電場(chǎng)調(diào)控摩擦驅(qū)動(dòng)的爬行機(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)交替改變前后模塊與軌道間的摩擦力，實(shí)現(xiàn)了類似蠕蟲的定向爬行運(yùn)動(dòng)。

圖6： 電場(chǎng)調(diào)諧摩擦的潛在應(yīng)用。a) 鍍有PVA/LiTFSI??的鈦合金滑塊在錫箔表面上的滑動(dòng)過(guò)程，以及b) 電場(chǎng)對(duì)其滑動(dòng)行為的影響。在后一種情況下，鍍有PVA/LiTFSI??的鈦合金滑塊作為正極，滑動(dòng)軌道作為負(fù)極；c) 模擬船舶下水：基底涂有PVA/LiTFSI??的船模在金屬表面上受電控制滑入水中；d,e) 通過(guò)控制法向載荷(d)或施加外電場(chǎng)調(diào)節(jié)摩擦系數(shù)(e)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人抓取和釋放蘇打水瓶的照片。在(d)中，通過(guò)調(diào)整夾爪臂的相對(duì)位移來(lái)調(diào)節(jié)法向載荷以實(shí)現(xiàn)釋放過(guò)程。在(e)中，蘇打水瓶作為陰極，鍍有PVA-LiTFSI的機(jī)器人夾爪作為陽(yáng)極，施加電壓32 V；f) 兩種情況下蘇打水瓶釋放過(guò)程的相對(duì)高度-時(shí)間曲線及放大細(xì)節(jié)；由電場(chǎng)調(diào)諧摩擦驅(qū)動(dòng)的爬行機(jī)器人的照片(g)和示意圖(h)。該機(jī)器人由模塊1、模塊2和伸縮制動(dòng)器組成，一個(gè)伸縮電極驅(qū)動(dòng)周期約2.7秒。模塊1和模塊2底部均鍍有銅導(dǎo)電膠帶和PVA-LiTFSI層。在模塊2與鋁軌之間交替施加18 V直流電壓；i) 蠕蟲機(jī)器人中心相對(duì)水平位移隨時(shí)間的變化函數(shù)。

本研究展示了一種無(wú)需外潤(rùn)滑劑的電場(chǎng)調(diào)諧摩擦突破性方案，在宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)了離子水凝膠與金屬間摩擦系數(shù)超過(guò)五十倍的調(diào)制。與傳統(tǒng)的宏觀電場(chǎng)控摩擦策略不同，該方法避免了密封問(wèn)題和材料腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，極大地拓展了應(yīng)用場(chǎng)景。其核心機(jī)制在于電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下LiTFSI鹽分的電滲析出，在摩擦副表面形成潤(rùn)滑膜。這項(xiàng)工作不僅為電場(chǎng)調(diào)諧摩擦機(jī)制提供了新見(jiàn)解，更為船舶下水、機(jī)器人操控等領(lǐng)域帶來(lái)了新的應(yīng)用可能。特別是首次實(shí)現(xiàn)的電場(chǎng)控摩擦爬行機(jī)器人，為開發(fā)輕量化、模塊化、高能效的自適應(yīng)機(jī)器人系統(tǒng)提供了全新范式。