第一作者：唐刚强

通讯作者：王延杰

通讯单位：河海大学

论文DOI：10.1002/adfm.202412254

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该论文着重归纳总结了水分响应驱动器在材料、结构、制备、多响应集成与应用方面的研究进展，为水分响应驱动器的设计提供了指导，同时也指出了水分响应驱动器所面临的挑战和未来的发展方向。

背景介绍

水以固态、液态和气态三种形式在地球上构成了一个巨大的循环网络，其中含有不可估计的可回收能量。从气态水中获取能源对促进能源升级具有重要意义，但同时也具有很强的挑战性。水分响应驱动器（moisture-driven actuator，MDA）的出现为水能量向机械能的转化提供了一种有效的途径。MDA可以通过自身材料的吸湿性与水分子结合，并在吸湿溶胀后产生宏观变形。由于湿度的广泛分布和无线的驱动模式，MDA在环境监测、远程控制和能量采集等领域显示出巨大的应用潜力。为了给MDA的设计、制备和应用提供指导，王延杰教授团队从亲水材料、结构、制备方法、多响应集成和应用方面全方位综述了MDA的研究进展（图1）。同时分析了MDA所面临的挑战并提出了相应的解决方案，为MDA下一阶段的发展指明了方向。

图1.MDA在材料、结构、制备、多响应集成与应用方面的研究现状

内容解析

用于MDA制备的湿敏材料主要包括二维无机材料（图2）、自然提取聚合物材料（图3）、合成聚合物材料（图4）以及自然材料（图5）。不同材料在亲水基团的类型和数量方面有所区别。大多数亲水材料所含有的基团为−COOH和−OH，他们利用氢键与水分子结合。只有离子聚合物材料依赖离子与水分子之间的静电相互作用或共价键与水分子结构，这也导致了更强的湿度驱动能力。

图2.用于MDA的二维无机材料

图3.用于MDA的自然提取聚合物材料

图4.用于MDA的合成聚合物材料

图5.用于MDA的自然材料

现有MDA的常用结构包括单层结构（图6）、双层结构（图7）与可编程结构（图8）。单层MDA仅包含一层亲水层，具有较快的响应速度，但无法在固定湿度下产生稳定的变形。双层MDA由一层亲水层与一层疏水限制层组成，具有可控的变形但响应速度被降低。可编程MDA是通过对吸湿面、结构或内应力进行调控，使MDA实现更加复杂的变形，如扭转等。

图6.单层结构MDA

图7.双层结构MDA

图8.可编程结构MDA

MDA的制备主要包括亲水层的制备（图9）与限制层的结合（图10）。亲水层的制备方法主要包括溶液铸造、真空过滤、3D打印与静电纺丝。而限制层的结合除了采用以上方法，还可以通过胶接、热压、2D打印等途径来实现。具体的制备方法需要根据所采用的材料与结构进行选择。

图9. MDA亲水层制备方法

图10. MDA限制层结合方法

为了拓展MDA的功能，可以结合其他的驱动方式进一步开发多响应驱动器，包括光驱动、电驱动、磁驱动与湿致变色（图11）。具体功能的选择需要根据实际应用需求进行。MDA的多响应集成通常有三种方法，包括将相关的功能材料添加到亲水层、限制层，或单独构建一个新的功能层。

图11. MDA的多响应集成

目前，MDA应用主要集中在微型抓手（图12）、仿生机器人（图13）、热管理以及能量采集方向（图14）。然而，相关应用仍处于实验室阶段，尚且无法实现工程应用，这与MDA本身的性能限制有关。

图12. MDA的微型抓手应用

图13. MDA的仿生机器人应用

图14. MDA的热管理与能量采集应用

总结与展望

作为一种绿色能源驱动的器件，MDA在许多领域具有广泛的应用潜力。然而，作为一个新的研究领域，MDA的发展仍然面临着许多挑战，需要进一步的优化和发展，以应对不同场景下的实际应用。未来的发展方向主要包括以下方面：

（1）开展面向实际应用需求的MDA性能优化。现有MDA在变形能力和响应速度方面具有良好的表现。然而，大多数MDA的输出力和功率密度相对较低，难以满足实际的应用需求。大变形与高输出力之间的矛盾已成为MDA在实际应用中面临的一个重要挑战。因此，通过材料与结构设计提高MDA的高输出力，是MDA未来重要的研究方向之一。

（2）开发强吸水性、低成本、可降解的亲水性材料。氧化石墨烯、MXene、PFSA等材料具有良好的吸水性，但成本较高，限制了MDA的大规模应用。而天然聚合物材料，如纤维素纸，虽然成本较低，但较差的吸湿性也难以满足MDA的应用要求。因此，可以通过对天然材料进行化学修饰，开发低成本、高吸水性的MDA。此外，MDA采用绿色能源驱动，利用可降解的天然材料开发绿色无污染的MDA也是势在必行。

（3）开发大规模、高稳定的制备工艺。目前，大多数MDA的制备方法只能在实验室场合使用，且只能制备厘米级的MDA。此外，为了实现MDA的可靠应用，必须确保不同批次的MDA具有相同的性能。因此，必须基于高稳定的制备工艺，如刮涂法或静电纺丝法，研究MDA的稳定大规模制备。

（4）实现MDA的多场耦合连续驱动。为了弥补MDA单一驱动功能的限制，开发多响应驱动器已成为必然趋势。在此背景下，如何实现MDA在不同物理场中的连续驱动是提高其运动能力的关键。因此，通过控制不同物理场的组合、切换与施加方式来实现MDA的不同运动模式是下一阶段的重要研究方向。

课题组介绍

河海大学机电工程学院机器人前沿技术研究课题组王延杰教授，在西安交通大学获得博士学位，是美国内华达大学、英国斯旺西大学访问学者。目前，已经在Advanced Functional Materials、Sensors and Actuators B:
Chemical、ACS Applied Materials &
Interfaces、IEEE Robotics & Automation
Letters、Soft Robotics等期刊发表论文110余篇，授权国家发明专利20余项，参编学术专著3部，获得江苏省科技进步奖。

该工作是团队近期关于湿度响应器件相关研究的最新进展之一。近年来，团队对湿度响应器件（湿度传感器与湿度驱动器）的机理、制备、性能改进与应用进行了一系列的探索。在湿度传感器领域，团队解析了离子型湿度传感器的传感机理（Sensors & Actuators: B.
Chemical 2021, 345, 130421），提出一种离子型湿度传感器的快速制备工艺（RSC Adv., 2020, 10,
27447–27455），利用电极物理喷涂工艺实现了离子型湿度传感器的性能优化（Polymers 2023, 15, 733），并实现了湿度传感器在呼吸监测（RSC Adv., 2023, 13, 28613）与酒后检测（Sensors & Actuators: A.
Physical 2024, 366, 114894）领域的应用。在湿度驱动器研究方面，团队提出了一种基于离子聚合物的湿度驱动器，实现了大变形与快响应速度（Sensors & Actuators: B.
Chemical 2023, 393, 134152），通过结合离子聚合物和羧化碳纳米管开发了高性能的湿度/光双响应驱动器（ACS Appl. Mater. Interfaces
2024, 10.1021/acsami.4c12202）。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202412254