离子型柔性致动器因其低压高致动应变的特性，具有在柔性电子、生物医学辅助装置以及软体机器人等领域应用的广阔前景。然而，如何同时实现其宽域驱动响应范围、优异的驱动性能以及长期的稳定性，现今研究仍然面临巨大挑战。

近日，厦门大学吴德志教授团队在国际期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表题为“High-performance electroionic artificial muscles boosted by superior ion transport with Ti3C2Tx MXene/Cellulose nanocomposites for advanced 3D-motion actuation”的文章。该工作第一作者为在读博士生徐振金。研究者开发了基于二维材料MXene/纤维素-离子液体基柔性致动器，该致动器通过离子交联与氢键辅助效应，显著提升了电解质层的离子存储与迁移能力，进而构建出有利于离子快速扩散的3D扩张纳米通道，实现超低电压下的高性能驱动。实验结果证明此类型器件可进一步应用于3D自适应平台驱动控制，为智能机器人拓展研究奠定基础。

图1：二维材料MXene/纤维素基离子交换膜工艺流程。

纯BC，BC-IL和BC-IL-MXene的表面形貌证明IL和MXene纳米片均匀包覆在纤维结构上，二维材料的嵌入为其提供额外的自由电荷传输通道和位点，从而揭示组分之间离子交联和氢键相互作用所促进的深层互连性。

图2：BC-IL-MXene基人工肌肉微观形貌及元素表征。

论文同时也揭示了改性后BC与IL、MXene之间的相互作用对致动器性能增强的关键作用，阐明了离子液体对纤维素塑化与氢键强相互作用的竞争机制，可定向调控致动器整体的机械性能，进而为其性能进一步提升打下基础。

图3：BC-IL-MXene基人工肌肉理化与机械性质表征。

为明确所提出致动器的电容特性以及低电压下致动离子的迁移行为，采用三电极系统评估其电化学性质，结果表明较低的离子电阻和电极与电解质有效的界面可支持更高的离子电导率。

图4：制备的CPAN NF/Ag NP杂化膜的机械和柔性特性。

致动器原理性器件实现了在超低正弦输入±0.5 V、0.1 Hz条件下，双向弯曲可逆位移达到±5.53 mm，弯曲变形可进一步增加至274%。即使在超低驱动输入±0.1 V条件下，致动器仍然表现出约4.33 mm的较大变形。MXene基致动器在所有应用频率上仍显示出最佳的材料频率响应，最大变形发生在18 Hz。

图5：BC-IL-MXene基人工肌肉驱动性能表征。

二维材料MXene辅助的纤维素基离子型柔性致动器，具有快速的超低电压响应和良好的弯曲变形能力，进而展示了其可作为变形镜运动平台的应用潜力，实现在低能耗下提供快速高效的致动。为此，本研究证明了其三维自适应运动致动系统的应用潜力，论证了离子型柔性致动器在变形镜的光学像差校正、提升成像质量等典型复杂智能系统中具有巨大的前景。

图6：BC-IL-MXene基人工肌肉3D平台柔性机器人应用。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723059776

通讯作者：

吴德志，厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院教授，博士生导师。主要从事微纳制造与装备、柔性传感和软体机器人等相关工作研究，主持重点研发计划揭榜挂帅项目课题、国家自然科学基金重大研究计划/面上等项目多项，研制出包轴高粘度流体打印装置、大面积批量电纺装置和多种高性能柔性压力场传感器；发表了包括Chemical Engineering Journal、Additive manufacturing、Microsystems & Nanoengineering、Composites part b：Engineering和Journal of Power Source等国内外刊物上发表论文100多篇（含高被引），授权国家发明专利20项；Nature Electronics、 ACS Nano等杂志审稿人；中国微米纳米技术学会微纳执行器与微系统分会理事/生物微机电系统技术分会理事/微纳米制造及装备分会副理事长等。

第一作者：

徐振金，厦门大学博士研究生，主要研究方向为离子型柔性致动器的结构设计制造及其驱动机理/传感一体化研究。