受自然界启发的Janus驱动器，采用结构工程化的PEDOT:PSS材料

《Small》：Nature-Inspired Janus Actuators with Structurally Engineered PEDOT:PSS

双溶剂/酸处理法成功制备出高导电性 PEDOT:PSS 双层薄膜，通过溶剂掺杂与酸后处理协同优化导电网络与界面结合，解决传统双层结构分层和高温问题，实现 2.4-3.4 cm?1 逆向弯曲形变，可在 2-6 V 低电压下响应电、热、湿及有机蒸气，循环稳定性达 2400 次，机械强度提升 58%，适用于智能传感与软机器人。

　　这项研究聚焦于开发一种高性能的双层执行器，其灵感来源于自然界中植物的形状变化机制，如松果和种子荚。这种执行器能够通过对外部刺激的差异性响应实现可编程的形变，展现出在软体机器人和自适应材料领域的巨大潜力。然而，传统的双层执行器在实际应用中面临诸多挑战，包括界面脱粘、高驱动电压需求以及过热问题。为了解决这些问题，研究人员提出了一种创新的“双处理”策略，利用溶剂掺杂和酸后处理相结合的方法，成功制造出一种具有高导电性和良好机械性能的聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)（PEDOT:PSS）双面执行器。这种新型执行器不仅在结构上实现了无缝结合，还在多个外部刺激下展现出显著的可逆弯曲性能，同时具备出色的耐用性。

PEDOT:PSS作为一种水溶性导电聚合物复合物，其导电性受到大量PSS（聚苯乙烯磺酸）链的限制，因为PSS会阻碍电荷传输并降低其性能。为了解决这一问题，研究团队尝试了多种化学修饰方法，如溶剂掺杂、酸后处理和盐处理，以选择性地去除PSS并增强PEDOT（聚(3,4-乙撑二氧噻吩）丰富的区域之间的连接性，从而优化π-π堆叠和电荷载流子的迁移率。然而，传统的单一处理方法在提高导电性的同时，往往伴随着结构不稳定或薄膜变薄等问题，限制了其在实际应用中的可行性。

研究团队提出了一种双处理方法，通过溶剂和酸的协同作用，实现了对PEDOT:PSS导电性和机械性能的优化。这一方法在提高导电性的同时，有效控制了薄膜的收缩，从而在保持结构完整性的情况下，显著提升了其性能。通过对多种溶剂和酸的组合进行系统评估，研究人员发现某些特定的组合能够产生协同效应，如使用丙酮和甲酸进行处理，能够显著提升导电性，同时保持薄膜的稳定性和厚度。例如，丙酮/甲酸处理的样品导电性达到3037 S cm?1，而丙酮/硫酸处理的样品虽然导电性也较高，但其厚度明显减少，影响了其应用的可行性。

此外，通过X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱分析，研究团队揭示了双处理对PEDOT:PSS化学结构和分子排列的影响。XPS分析表明，经过处理后，PSS的含量显著减少，而PEDOT的双峰强度增加，说明PEDOT:PSS发生了有效的相分离和PSS去除。拉曼光谱则进一步验证了这一现象，表明处理后的PEDOT链从原本的苯并结构转变为更长的线性醌结构，从而提高了电荷传输效率。同时，GIWAXS（掠入射广角X射线散射）分析显示，双处理不仅优化了PEDOT的结晶度，还调整了其π-π堆叠方向，使得电荷在材料内部的迁移更加高效。

在实际应用方面，这种双面执行器表现出对多种外部刺激的响应能力，包括电、热、湿度和有机蒸汽。当施加电流时，由于Joule加热效应，导电性强的活性层会收缩，而导电性较低的被动层保持不变，从而导致整体材料的弯曲变形。这种弯曲特性在实验中得到了验证，当执行器暴露于乙醇蒸汽时，其弯曲变形可以达到近1 cm?1，且在2000次循环后仍能保持稳定。在热刺激下，执行器同样表现出良好的响应能力，能够在60°C的温度下在5秒内达到最大弯曲曲率3.4 cm?1，并且在1000次重复弯曲后仍能保持其机械性能。这种高效、低能耗的响应特性使得该执行器在实际应用中具有显著优势。

在功能性应用方面，这种双面执行器被用于制造软体机器人组件，如双指夹持器和微型提升器。双指夹持器由两个U型执行器组成，通过施加4V电压，它们能够弯曲并相互靠近，从而实现对轻小物体的抓取和搬运。微型提升器则能够在较低电压下稳定地提升物体，表现出出色的耐久性，即使经过400次循环仍能保持其性能。这种执行器的性能在实际应用中得到了验证，例如在化学实验室中作为智能排气门，能够根据有害气体的存在自动开启和关闭，确保及时通风。此外，它还被用作智能火灾传感器，能够在高温下切断电流，从而关闭LED灯，这一特性在火灾预警系统中具有重要价值。

从材料科学的角度来看，这种双面执行器的设计不仅解决了传统双层执行器在界面脱粘和结构稳定性方面的不足，还通过双处理策略实现了导电性与机械性能的平衡。这种策略具有良好的可扩展性，适用于大规模生产和实际应用。同时，其低电压和低表面温度的特性也使其在能量效率方面具有明显优势，非常适合用于低功耗设备和柔性电子系统。

该研究的成果表明，通过巧妙的材料设计和处理方法，可以有效克服传统双层执行器的局限性，实现高性能、多功能的软体执行器。这种新型执行器不仅在实验室条件下表现出色，还具备在实际应用中的可靠性和稳定性。未来，随着对这种材料的进一步研究和优化，有望在软体机器人、智能传感系统和自适应材料等多个领域实现更广泛的应用。此外，该研究还为其他类型的导电聚合物材料的开发提供了新的思路和方法，为推动柔性电子和智能材料的发展奠定了坚实的基础。