一种受生物启发的微型装置：通过水合控制整合能量存储与驱动

为什么微小机器需要微小的肌肉和电池

想象一种灰尘大小的机器人，它可以在你的血管中游动或检查喷气发动机中最微小的裂缝。要实现自主工作，这类微型机器人既需要能量来源，也需要能装进一粒灰尘大小的可动构件。如今，电池和电机通常是分离且笨重的组件。本文描述了一种新的受生物启发的方法，在一个微观装置中把能量存储和运动编织在一起，类似于真实肌肉在同一处既存储又使用能量的方式。

向活体肌肉学习

在你体内，肌肉既存储化学能又将其直接转化为运动。作者把这个想法应用到非常小的机器上。他们使用一种称为共轭聚合物的特殊塑料，当离子和水进出时会膨胀和收缩。允许这些塑料存储电能的同样变化也能使它们伸缩，从而成为微小的人造肌肉。通过用微型折纸工艺将薄膜折叠成三维形状，研究团队建造了一个亚毫米级的装置：中心是一只可充电电池，周围有四条柔性“腿”作为微型致动器。

水：助力者、麻烦制造者，也是控制钮

对这些聚合物来说，水既是必需的也是有害的。当水随带电粒子进入聚合物时，它能显著促进材料膨胀，这有利于产生运动。但过多的水渗入聚合物主链，会随着时间破坏其化学结构，损害其储能能力。研究者用敏感的技术追踪材料振动和充放电过程中微小的质量变化，表明负离子携带水的方式——即它们的“水化”程度——决定了强大运动与长期稳定性之间的权衡。高度水合的离子会把致密的水壳拖入聚合物，导致大幅膨胀、缓慢弛豫并引发化学损伤。相比之下，弱水合离子能释放水分，更靠近聚合物位置，从而把多余的水排斥出去。

用合适的离子驯服水

为把天平朝有利方向倾斜，团队用天然会破坏水壳的三氟甲磺酸根离子（triflate）替换了电解液中常见的硫酸根离子。在以硫酸根为基础的旧型液体中，塑料电极迅速崩解：水涌入其结构，触发副反应，电池容量在几十次循环内暴跌。使用三氟甲磺酸根后，明显水参与的起始电压被推高，聚合物的吸水量大幅减少，材料在多次循环中仍保持电化学活性。测量表明，在工作过程中，若存在三氟甲磺酸根，聚合物实际上排出了更多水分子，限制了有害反应并保护了用于能量存储的敏感导电主链。

一个盐粒大小的动力与驱动单元

基于这种水合控制，研究者制造了一种双电池单元的锌–聚合物微电池，占地仅0.56平方毫米——比一粒盐还小。折叠成堆叠的三维形态后，它提供了高面容量，并且可以在超过2200次充放电循环中保持近乎完美的效率。在这一中心动力单元周围，他们连接了基于聚吡咯的“腿”，当离子和少量水进出时这些“腿”会弯曲。与用于此类致动器的传统强水合电解液相比，三氟甲磺酸根基的液体使“腿”放松更快，并将能耗大约降低了四倍。腿可以反复拍动、在水中搅动微小颗粒并产生纤毛状流动，且全部仅由本地微电池供电。该电池还可以为简单电子设备供电，例如发光二极管和低功耗手表。

迈向更聪明的无束缚微型机器人

这项工作表明，仅通过调整水如何附着于离子，就能在同一微观结构中同时实现耐用的能量存储和高效的运动。通过选择弱水合的阴离子，作者们在水相、生物相容的环境中保护了聚合物电极免受水驱动的衰变，并加快了聚合物致动器的机械响应。这一策略不限于此处使用的特定塑料，也可应用于其他导电聚合物和电解质。从长远看，以这种方式控制水合可能使微小的无束缚机器成为可能——例如可植入医疗器械和微型机器人——其中“电池”和“肌肉”不再是分离的部件，而是同一智能材料的两个面向。

引用: Zhang, W., Merces, L., Ma, J. et al. A bioinspired microdevice unifying energy storage and actuation through hydration control. Nat Commun 17, 2650 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70831-3

关键词: 微电池, 共轭聚合物, 水合控制, 微致动器, 微型机器人