北京
電活性聚合物是一類能夠在電場作用下產生大幅度形變的智能材料，廣泛應用于人工肌肉、軟體機器人等前沿領域。然而，現有的有機硅彈性體通常局限于單一模式驅動，即當前研究主要集中在介電彈性體材料的本征特性上，這嚴重限制并低估了它們的功能潛力。在實際應用中，材料與其周圍環境之間的"界面相互作用"往往是實現多功能化的關鍵瓶頸。解決介電彈性體材料與外部物質之間的界面相互作用挑戰，關鍵在于對介電彈性體智能界面特性的深入理解。
由西北工業大學、香港城市大學等單位學者組成的聯合團隊，提出了一種創新的材料設計策略。該研究通過在介電彈性體材料中引入極性小分子添加劑的方法，成功開發出一種名為“電活性界面增強介電彈性體”（EIEDE）的新型材料，實現了大應變驅動、強電吸附和可控電潤濕效應的集成，展示了介電彈性體材料領域的突破性進展。該工作解決了傳統介電彈性體的長期局限性，并為柔性驅動、智能吸附和微流控操作提供了變革性解決方案。這項研究，首次將大應變驅動、超強電吸附以及多功能液滴操控三大功能集成于單一材料中，為軟體機器人、先進制造和微流控技術等領域帶來了革命性的應用前景。
該研究成果以“Electroactive interface-enhanced dielectric elastomer with ultrahigh electro-adhesion and multifunctional droplet actuation”為題在國際知名綜合性期刊《Science Advances》上在線發表。西北工業大學張軍詩教授、劉磊副教授、朱繼宏教授、張衛紅院士和香港城市大學呂堅院士為共同通訊作者，西北工業大學博士研究生閆晗為論文第一作者。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費等項目的支持。
圖1 聚合物設計與理論原理示意圖
該研究首次報道了使用極性小分子在固-固和固-液界面上實現介電彈性體電活性界面調控的方法。開創性地突破了有機硅介電彈性體作為驅動器的傳統限制，通過調控材料表面能，實現了強大的電吸附力和多功能液滴驅動。通過對P7670與EIEDE在平板金屬電極和金屬網電極上的電吸附性能進行對比實驗，結果顯示EIEDE在金屬網電極上的吸附強度達到31.75 kPa，是P7670（0.065 kPa）的488倍，并且能夠對包括非平整金屬片、金屬網和金屬絲在內的不規則導電材料實現有效的電吸附。這種電吸附技術克服了現有約束，同時擴展了適用性，為機器人技術、工業制造及相關領域的下一代吸附系統提供了創新解決方案。
圖2. EIEDE電吸附特性及功能展示
金屬平板電極（左）和金屬網電極（右）的電吸附演示
除了固體界面，EIEDE在固-液界面同樣表現出色。研究團隊系統性地研究了材料在電場下的電潤濕（EWOD）行為。當液滴接觸陽極時，由于小分子增塑劑的遷移富集，材料表面從疏水態轉變為親水態，使得液滴接觸角從原始的83.15°急劇減小至9.92°，實現了對液滴鋪展程度的極大范圍調控，響應能力遠超傳統介電彈性體。基于相同的電潤濕原理，研究團隊還開發了一種液滴吸附裝置。EIEDE在施加電壓下表現出強親水性，使液滴能夠牢固地粘附在膜表面。持續施加電壓可促進液滴的運輸，而隨后撤去電壓則使表面恢復疏水性，從而觸發液滴的釋放，實現了吸附、運輸和釋放等穩定操作。
利用EIEDE優異的電潤濕特性，對不同形狀的陰極進行順序通電，誘導了小分子增塑劑局部的遷移，從而形成相應的親水區域。由于表面張力梯度的存在，液滴會從疏水區域向這些新形成的親水區域移動。因此，操控液滴附近的表面張力梯度可以驅動其運動。此外，足夠強的梯度還能誘導液滴發生形變，使其輪廓和尺寸與通電電極的幾何形狀相匹配。
圖3. EIEDE陽極的電潤濕特性
更巧妙的是，當液滴接觸陰極時，材料表現出相反的“抗電潤濕”效應，局部疏水性增強。利用這種極性依賴的特性，通過協同優化陽極幾何形狀，并利用定制的切割設備配置，研究團隊成功實現了液滴的精確二分、三分和四分切割這一技術。利用電潤濕誘導的液滴形變、運輸、分割和錨定功能，研究團隊設計了一個多探針檢測的演示實驗，實現了多個液滴的錨定與移動。液滴分割后，第一個液滴被驅動向右，而第二個液滴則被導向向左。隨后，產生的四個更小的液滴同時發生形變并錨定在探針1-4上。該技術實現了多液滴、多探針檢測，并增加了每個探針的有效感應面積，為未來微流控傳感平臺提供了新概念。這些基于EIEDE的獨特電潤濕特性，通過受控電場梯度操控，實現了預設路徑的液滴分割，為先進微流控技術及其應用提供了新策略。研究團隊首次展示了對相反電極極性的可切換電潤濕響應，為新穎的微流控設計范式鋪平了道路。
圖4. EIEDE陰極的電潤濕特性及應用展示
總體而言，這項研究首次通過添加小分子塑化劑策略，將大應變驅動、超高電吸附和多功能液滴操控集成于單一介電彈性體材料中，在復雜形狀金屬吸附、爬壁機器人和微流控液滴控制等領域展現出廣闊的應用前景。該研究重新定義了對介電彈性體的基本認知，為未來的相關研究建立了新范式。
通訊作者簡介：
張衛紅，中國科學院院士，國家杰出青年科學基金獲得者，國務院第七、八屆學科評議組成員，國家自然科學基金會評專家，新世紀百千萬人才工程國家級人選。長期從事航宇結構優化與先進制造技術研究，曾獲國家自然科學二等獎、國家技術發明二等獎、全國創新爭先獎、馮如航空科技精英獎、高等教育（研究生）國家級教學成果一等獎、中國僑界杰出人物、中國僑界貢獻獎一等獎，帶領團隊獲“全國高校黃大年式教師團隊”稱號。擔任西北工業大學副校長、陜西省僑聯副主席、陜西省政協委員、科技部航宇材料結構一體化設計與增材制造裝備技術國合基地主任、陜西省空天結構技術重點實驗室主任、金屬高性能增材制造與創新設計工業和信息化部重點實驗室學術委員會副主任、航空學報中英文版副主編、陜西省機械工程學會副理事長、陜西省力學學會理事長、國際仿真與多學科優化協會(ASMDO)副主席等職務。發表論文450余篇、SCI論文250余篇，他引7700余次，出版專著/教材6部，授權國家發明專利92件。2021年當選中國科學院院士。
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呂堅，香港城市大學機械工程講座教授，先進結構材料研究中心主任。香港材料研究會（HK-MRS）理事長，香港力學學會前理事長，廣東省大灣區激光與增材制造產業技術創新聯盟副理事長，世界新能源汽車大會科技委員會委員。78年跳級考入北京大學， 79年獲國家獎學金赴法國貢比涅技術大學讀本科, 86年獲該校博士學位。研究涉及先進納米材料制備與力學性能，3D/4D打印，結構與功能材料預應力工程。在Nature（封面文章），Science, Nature Materials, Nature Chemistry， Nature Water，Nature Communications, Science Advances, PNAS, Advanced Materials, Materials Today, PRL等雜志上發表論文650余篇，引用5萬5千余次，H Index=106，2025年“科睿唯安“全球高被引科學家, 90項歐、美（53項）、中發明專利獲授權。北京科技大學，東北大學，西安交大等大學名譽教授, 上海交大，西北工業大學，西南交通大學顧問教授。2011年被法國國家技術科學院（NATF）選為院士，是該院300余位院士中首位華裔院士。2025年獲選美國國家發明家科學院（NAI）院士。2006年與2017年分別獲法國總統任命獲國家榮譽騎士勛章及國家榮譽軍團騎士勛章，2013年和2018年分別在中國力學大會與中國材料大會上做大會報告。2018年獲中國工程院光華工程科技獎。
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朱繼宏，西北工業大學教授、博導、比利時列日大學航空航天工程科學博士、英國倫敦瑪麗女王大學客座教授、國家級領軍人才、國家優秀青年科學基金獲得者。航空學報、電子機械工程、航空制造技術等期刊編委、火星探測項目天問一號技術審查專家、空天某重大專項專家組成員、某重大裝備副總師。主要從事飛行器新概念整體結構技術、空天飛行器防熱-承載一體化、智能結構與機器人技術研究。獲國家自然科學二等獎、第十六屆中國青年科技獎、中國青年“五四”獎章團隊、三項陜西省科學技術一等獎，以及航空學會青年科技獎、鄧稼先青年科技獎、錢令希計算力學青年學者獎等。
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張軍詩，西北工業大學機電學院教授、博導，曾任香港城市大學Senior Research Associate及日本UEC特任研究員。主持國家自然自然科學基金3項，主要從事軟物質力學、智能材料與結構及軟體機器人方面的研究，以第一/通訊作者在Science Advances, Applied Physics Reviews, Advanced Science等期刊發表論文40余篇。
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劉磊, 西北工業大學機電學院副教授，主持國家自然自然科學基金2項，長期從事軟體機器人及電活性人工肌肉材料力電耦合行為研究，主要內容包括電活性聚合物（EAP）人工肌肉材料力電耦合特性研究；氣電混合人工肌肉驅動機理研究；仿生變體無人機及柔性智能蒙皮技術研究；剛-柔-軟耦合機器人剛度調控研究等。以第一/通訊作者在Science Advances, Cell Reports Physical Science, Applied Physics Reviews, Advanced Science等期刊發表論文30余篇。
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論文信息：
H. Yan ?, J. Zhang?*, L. Liu*, C. Wei, C. Zhang, K. Wang, J. Zhu*, Z Moumni, W. Zhang*, J. Lu*. “Electroactive interface-enhanced dielectric elastomer with ultrahigh electro-adhesion and multifunctional droplet actuation” Sci. Adv.12,eaec3342(2026).DOI:
文章鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec3342
DOI:10.1126/sciadv.aec3342
責任編輯：李 娜
責任校對： 金 程
審 核： 張 彤
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