在機(jī)器人技術(shù)、藥物遞送、外科手術(shù)和組織工程等領(lǐng)域，執(zhí)行器作為一種基本換能器，將能量轉(zhuǎn)換為可控的機(jī)械運(yùn)動(dòng)或力[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。它是控制系統(tǒng)中的執(zhí)行組件，負(fù)責(zé)根據(jù)控制器的指令信號執(zhí)行物理動(dòng)作。本質(zhì)上，執(zhí)行器架起了驅(qū)動(dòng)力源與物理環(huán)境之間的橋梁，使系統(tǒng)能夠施加力、誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)或操縱物體。執(zhí)行器的性能對于決定系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、效率和整體能力至關(guān)重要。執(zhí)行器的操作可以由光、磁和電原理驅(qū)動(dòng)。光和磁驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)無接觸、遠(yuǎn)程和超精確的運(yùn)動(dòng)控制——這對微/納米操縱和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有前景[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。然而，將光敏材料或磁性納米顆粒引入光學(xué)和磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中會(huì)引入幾個(gè)顯著缺點(diǎn)。引入外源物質(zhì)（如光敏化合物或磁性納米顆粒）會(huì)引發(fā)長期生物相容性、材料穩(wěn)定性和功能退化的問題，限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。此外，這些添加劑會(huì)改變執(zhí)行器材料的固有性質(zhì)，并使制造過程復(fù)雜化，進(jìn)一步限制了它們在現(xiàn)實(shí)世界系統(tǒng)中的使用。但是，電驅(qū)動(dòng)不需要外源物質(zhì)，具有高精度、快速響應(yīng)和易于與控制系統(tǒng)集成的優(yōu)點(diǎn)，因此在機(jī)器人技術(shù)和藥物遞送中占據(jù)主導(dǎo)地位。通過將電信號直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，電執(zhí)行器可以實(shí)現(xiàn)精確的微米級定位，這對于微創(chuàng)手術(shù)、靶向治療遞送和高通量實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化等任務(wù)至關(guān)重要[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。這些特性共同使得電驅(qū)動(dòng)在需要精度、速度和系統(tǒng)級互操作性的應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。

傳統(tǒng)的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)從根本上受到其對硬連線連接依賴的限制，這嚴(yán)重限制了操作自由度、可擴(kuò)展性和在動(dòng)態(tài)或封閉環(huán)境中的適應(yīng)性[22]、[23]、[24]。為了克服這些限制，開發(fā)無導(dǎo)線電化學(xué)驅(qū)動(dòng)是一個(gè)重要的研究方向。這樣的進(jìn)步可能會(huì)徹底改變從可植入生物醫(yī)學(xué)設(shè)備到環(huán)境響應(yīng)智能材料，再到無束縛軟機(jī)器人的應(yīng)用，提供更好的便攜性和前所未有的設(shè)計(jì)靈活性。此外，可以在同一電解質(zhì)介質(zhì)中同時(shí)無線控制多個(gè)執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)前所未有的可擴(kuò)展性、運(yùn)動(dòng)自由度和設(shè)計(jì)簡單性。Kuhn的團(tuán)隊(duì)在玻璃碳上觸發(fā)了空間分離的氧化和還原反應(yīng)，涉及不對稱氣泡的形成。這導(dǎo)致了玻璃碳顆粒的方向性運(yùn)動(dòng)。根據(jù)所涉及的氧化還原化學(xué)和設(shè)備設(shè)計(jì)，可以控制速度并將運(yùn)動(dòng)從線性切換為旋轉(zhuǎn)[25]。然后，導(dǎo)電聚合物的不對稱氧化/還原導(dǎo)致沿導(dǎo)電聚合物主軸的差異性收縮和膨脹，從而在無線模式下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形[26]、[27]。通過在該物體的負(fù)電荷端沉積材料并在正電荷端同時(shí)溶解相同材料，報(bào)道了宏觀或微觀金屬物體的動(dòng)態(tài)自再生過程[28]。然而，創(chuàng)建具有靈活性、可實(shí)現(xiàn)性和陣列能力的無線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍然是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，目前這一領(lǐng)域的研究特別稀少。

早期研究已經(jīng)成功地展示了基于水凝膠的無線柔性驅(qū)動(dòng)。通常，這種無線水凝膠執(zhí)行器依賴于電場下的離子遷移，這改變了水凝膠與其周圍介質(zhì)之間的離子濃度梯度，從而產(chǎn)生滲透壓差，驅(qū)動(dòng)水凝膠的變形。例如，Migliorini等人報(bào)道了一種無線驅(qū)動(dòng)的水凝膠執(zhí)行器，其中聚電解質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中可移動(dòng)的Na?離子的重新分布導(dǎo)致局部離子富集或耗盡，從而產(chǎn)生不對稱膨脹和可控的彎曲運(yùn)動(dòng)[29]。然而，以水為連續(xù)相的水凝膠系統(tǒng)本質(zhì)上受到諸如電化學(xué)窗口狹窄、響應(yīng)速度慢和彎曲角度有限等限制[30]、[31]、[32]。然而，離子凝膠作為一種變革性材料，已成為軟電化學(xué)執(zhí)行器的理想選擇，在低工作電壓（< 3V）下提供大而精確的機(jī)械輸出，并具有高能量效率，這得益于它們出色的電化學(xué)穩(wěn)定性和快速的離子傳輸[33]、[34]、[35]。它們的固態(tài)特性確保了無泄漏操作和長期穩(wěn)定性，克服了基于流體和水凝膠的系統(tǒng)的耐用性限制。這些特性結(jié)合了固有的柔軟性、可伸展性和生物相容性，使它們非常適合用于先進(jìn)的軟機(jī)器人技術(shù)、可植入生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和自適應(yīng)人機(jī)界面。此外，豐富的離子液體（ILs）庫使得可以創(chuàng)建具有幾乎無限組成和功能多樣性的離子凝膠[36]、[37]。因此，進(jìn)一步探索離子凝膠在無線電化學(xué)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用潛力具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際價(jià)值。

化學(xué)發(fā)光是一種冷光發(fā)射形式，其中可見光是由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，不需要顯著的熱量或外部光激發(fā)。當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)電子激發(fā)的中間體或產(chǎn)物時(shí)，它會(huì)通過釋放光子而放松到基態(tài)[38]、[39]、[40]、[41]。與光致發(fā)光不同，化學(xué)發(fā)光不需要外部光源，消除了自熒光的背景干擾，并提供了極高的信噪比。在黑暗環(huán)境中，化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)由于其自發(fā)光特性而成為理想的視覺指示器，無需環(huán)境光即可有效工作。它們可以被設(shè)計(jì)為生物組織中的便攜式或可穿戴指示器，或光敏系統(tǒng)。將離子凝膠的無線驅(qū)動(dòng)與化學(xué)發(fā)光相結(jié)合，將為監(jiān)測密封、黑暗環(huán)境中的柔性執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)鋪平道路。

在這項(xiàng)工作中，我們開創(chuàng)了離子凝膠的無線和可編程電化學(xué)驅(qū)動(dòng)，并研究了有前景的應(yīng)用。離子凝膠根據(jù)陽離子和陰離子的相對大小發(fā)生內(nèi)部離子遷移和重新分布，導(dǎo)致不對稱膨脹和宏觀彎曲變形。設(shè)計(jì)和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了高效且智能的驅(qū)動(dòng)行為。此外，通過結(jié)合化學(xué)發(fā)光過程，該系統(tǒng)即使在完全黑暗的情況下也能實(shí)現(xiàn)無線驅(qū)動(dòng)和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)跟蹤功能。利用圓柱形裝置實(shí)現(xiàn)了離子凝膠的電化學(xué)凹凸行為，用于構(gòu)建精確的液體控制。這種無電纜、可定制的系統(tǒng)有望在軟驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域打開新的前沿。