超软快速自修复聚离子液体电极推动介电弹性体驱动器性能突破

研究团队针对介电弹性体驱动器(DEAs)电极模量高(数十kPa以上)、自修复速度慢等瓶颈问题，通过离子相互作用调控开发出弹性模量仅3.4 kPa、10秒内实现空气/水下自修复的聚离子液体(PIL)电极。该电极使DEAs获得63.2%的面积应变并保持自修复后性能，基于此构建的软体夹持器可在恶劣环境中稳定工作。这项发表于《Nature Communications》的研究为电驱动软体机器人发展提供了突破性解决方案。

　　

在软体机器人领域，介电弹性体驱动器(DEAs)因其大形变、轻量化、快响应等特性备受关注，但其性能长期受制于电极材料的刚性约束。传统离子凝胶电极虽具自修复能力，但弹性模量多在数十kPa以上，严重限制了驱动器的应变性能和修复效率。更棘手的是，现有电极在水下环境中的稳定性与修复能力不足，制约了DEAs在海洋探索等场景的应用。

针对这一挑战，研究人员通过精准调控聚离子液体(PIL)的阴离子-阳离子相互作用，成功开发出具有革命性性能的PIL30-TFSI电极。该材料以三氟甲磺酰亚胺(TFSI^-)为阴离子，通过削弱其与聚(1-己基-3-乙烯基咪唑)(PC₆⁺)的离子相互作用，实现了3.4 kPa的超低弹性模量——比现有电极材料降低了一个数量级。更令人惊叹的是，这种电极在空气和水下均能在10秒内完成自主修复，创下了室温自修复材料的性能纪录。

研究采用密度泛函理论(DFT)计算揭示了性能增强机制：TFSI^-阴离子较大的空间位阻和较低表面静电势(-74.5 kcal mol^-1相互作用能)显著提高了聚阳离子链段和阴离子的迁移率。通过小角X射线散射(SAXS)证实，PIL30-TFSI的侧链相关距离(d_p=0.46 nm)大于其他阴离子体系，为快速自修复提供了结构基础。

基于该电极的DEAs展现出卓越的驱动性能：在32 V/μm电场下实现63.2%的面积应变，自修复后仍保持96%的原始性能。对比实验显示，使用较小阴离子(BF₄^-)的电极因强离子相互作用(弹性模量26.4 kPa)仅能产生11.9%应变。该材料还表现出优异的环境稳定性，在-20°C至80°C和50,000次循环载荷下性能无损。

研究团队构建了无需封装的双指软体夹持器，可精准抓取50 mg棉球和4 mg微立方体等脆弱物体。特别值得注意的是，即使电极被手术刀切断，夹持器仍能通过快速自修复恢复功能，在水下环境中成功抓取金属柱(64 mg)和树叶。这种"损伤-修复"特性使DEAs在复杂环境中具有前所未有的可靠性。

技术方法核心包括：1)通过离子交换法制备不同阴离子的PIL单体；2)紫外光引发聚合获得交联网络；3)采用循环拉伸和疲劳测试评估力学稳定性；4)搭建激光位移测量系统量化驱动器性能；5)通过原位FTIR监测自修复过程中的离子相互作用变化。

【关键结果】

1. 阴离子调控机制：DFT计算显示TFSI^-具有最低表面静电势(1052 cm^-1特征峰)，SAXS证实其产生最大链间距，使弹性模量降低至PIL30-BF₄的1/8000。

2. 快速自修复特性：原位红外显示损伤后S-N-S键峰位移(1052→1054 cm^-1)，10秒内恢复原值；电阻修复曲线证实7秒内导电性完全恢复。

3. 驱动器性能突破：产品模量与厚度积仅0.116 Pa·m，使DEAs面积应变达63.2%，远超已报道自修复电极(最高约40%)。

4. 环境适应性：水下自修复效率保持50%，80°C高温下驱动器性能无损，突破传统水凝胶电极的蒸发限制。

这项研究通过分子设计解决了DEAs领域的关键材料瓶颈，建立的"弱离子相互作用-低模量-快速自修复"材料范式为软体机器人、人工肌肉等领域带来突破。特别在海洋探索场景中，该电极使DEAs首次兼具水下稳定性与损伤容错能力，为开发新一代环境自适应软体执行器奠定了基础。