研究背景

软体执行器是一种不借助马达等机械装置将光、电、声、磁等能量转化为机械动能的新型执行器件，是微型-软体化机器人设计的重要动力来源之一。在众多驱动机制中，电化学驱动机制（Electrochemically-driven）以其独特的离子吸附或嵌入方式引发材料或器件机械运动，具有运动精度优、能量转化率高以及仿生肌肉自锁（类似骨骼肌中的闭锁状态）等优势，使其在微型软体机器人和生物医疗器械中具有突出的应用潜力。

近日，我课题组联合天津大学陈焱教授团队和东华大学朱美芳院士团队以“Electrochemically-driven actuators: from materials to mechanisms and from performance to applications”为题在国际重要学术期刊《Chemical Society Reviews》(IF=46.2) 上发表长篇综述。论文基于材料类型和响应机制，全面总结了近年来电化学执行器的发展历程和创新突破，综合分析了不同材料-机制执行器间的性能特点、内在联系以及应用适配。文章第一作者为天津大学博士生杨利雪，共同通讯作者为天津大学穆九柯教授、陈焱教授和东华大学朱美芳院士，天津大学为第一通讯单位，其他合作者来自西安交通大学、上海电机学院和西弗吉尼亚大学。

该综述通过对传统和新兴的电化学执行器基材进行深入分析和系统梳理，着重阐明了各类执行器基础材料、器件驱动机制和性能表现之间的相互依赖关系；面向电化学执行器的应用挑战，针对现存材料的优化和新型材料-器件的探索等方面提出了前瞻性见解，以期为相关领域研究人员全面了解电化学执行器的工作机制、优化策略和应用领域提供借鉴和指导。

文章亮点

1. 从材料出发，依据离子迁移-固定方式，分类解析了电化学执行器电能—机械能转化的运行机制；从不同尺度-维度设计层面，解释了执行器运动模式与器件形态间的结构关系。

图1. 各类电化学执行器的驱动机制、结构设计及其运动模式示意图。

2. 从驱动行程、输出力、机械做功能力、运行频率区间以及生物相容性等多重指标参数出发，分析了不同执行器的性能特点，为其应用领域的拓展提供指标依据。

图2. 各类型电化学执行器的性能指标分析。

3. 针对不同的驱动机制和材料属性，在材料改性、结构设计和器件加工等层面，全面梳理了近年来不同类型电化学执行器的里程碑工作、发展历程和性能提升策略，依此分析了跨越基础研究到工程应用所面临的挑战。

4. 面向应用挑战，论文从现存材料效能提升、优势互补耦合设计、规模化制备到新材料-新机制的探索、新应用的发掘等多个层面提出了前瞻性的见解和创新策略。

图3. 电化学执行器的应用领域。

该工作受到国家自然基金委、中国科协青年人才托举工程、新基石研究员等项目支持。

原文：Electrochemically-driven actuators: from materials to mechanisms and from performance to applications. Chem. Soc. Rev., 2024. (DOI: 10.1039/D3CS00906H)

原文链接：https://doi.org/10.1039/D3CS00906H