離子在生物體的生命中起著關鍵作用，特別是對於收縮細胞產生肌肉變形和/或運動所必需的神經信號轉導。受生物肌肉功能的啟發，有關離子移入/移出電極（例如，離子聚合物-金屬複合材料）的人工肌肉在仿生技術中得到了極大的關注。軟離子致動器，也被稱為電化學致動器，通過可逆插層和去插層在外加電壓（低於1V和高達幾伏）的情况下產生致動變形。這類致動器在軟機器人、人造肌肉、自動聚焦透鏡和生物醫學設備中的各種應用已被廣泛研究。通過電化學過程將電能轉化為機械能的電化學裝置有許多應用，從機器人和微泵到微透鏡和生物電子學。到目前為止，大變形應變和快速回應的實現仍然是電化學驅動器的挑戰，其中阻力限制了器件的運動，電極資料/結構限制了離子的傳輸。
來自休斯頓大學的學者報導了由有機電晶體（OSNTs）製成的電化學致動器、電化學傳質和電化學動力學的研究結果。OSNTs器件表現出高性能，在液體和凝膠聚合物電解質中具有快速的離子傳輸和積累。該器件具有低功耗/低應變、大變形、快速回應和良好的驅動穩定性等優异效能。這種優异的效能源於納米管巨大的有效表面積，它促進了離子的傳輸和積累，從而產生了高的電活性和耐久性。通過對變質量系統的運動和質量輸運的實驗研究和理論分析，建立了該裝置的動力學模型，並引入了OSNTs的Euler-Bernoulli方程的修正形式。最終，展示了一種由多個微執行器組成的最先進的小型化裝置，可用於潜在的生物醫學應用。這項工作為下一代執行器提供了新的機會，這些執行器可以用於人造肌肉和生物醫學設備。相關文章以“Organic Semiconductor Nanotubes for Electrochemical Devices”標題發表在Advanced Functional Materials。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202105358
圖1| OSNTs器件的製作與表徵。A）示意圖說明了執行器的分層設計。B）OSNTs致動器的分步制造技術
圖2.迴圈伏安法對OSNTs器件的電化學驅動。A）示意圖表示氧化還原過程中啟動OSNTs時的離子傳輸和由此產生的彎曲運動。B，C）複合光學顯微照片，顯示了OSNTs致動器在液體和凝膠電解質中以10 mV s-1的掃描速率迴圈伏安一個完整迴圈的可逆彎曲變形。D，E）迴圈伏安圖，F，G）質量通量，以及H，I）在含0.1M NaPSS的液體和凝膠電解質中，在10 mV s-1（藍色正方形），50 mV s-1（綠色圓圈），100 mV s-1（紅色向上三角形）和200 mV s-1（黑色向下三角形）的不同掃描速率下，OSNTs致動器的尖端位移隨電位的變化而變化。
圖3.OSNTs器件在不同CV掃描速率下的電化學-機械響應。A，B）複合照片顯示在A）液體和B）凝膠電解質中，以10、50、100和200 mV s-1的不同掃描速率進行CV迴圈時，尖端的最大偏轉發生在A）液體和B）凝膠電解質中。C-I）在液體（黑色）和凝膠（紅色）電解質中迴圈時OSNTs致動器響應隨掃描速率的變化，包括：C）質量流入，D）電荷存儲密度，E）最大位移，F）最大應變，G）最大速度，H）回應時間，以及I）致動力（±SEM，n=5）。J）液體和K）凝膠電解質在10 mV s-1（藍色正方形）、50 mV s-1（綠色圓圈）、100 mV s-1（紅色向上三角形）和200 mV s-1（黑色向下三角形）不同掃描速率下的驅動力-位移曲線。
圖4.高性能OSNTs器件的長期評估。A）與不同類型的軟電化學驅動器相比，OSNTs驅動器的功耗/應變百分比。B）在200 mV s-1（連續工作25h）下，超過15000次激勵的OSNTs驅動器的彎曲穩定性（δ/δ0）。在200 mV s-1的掃描速率下，掃描1000次，C）驅動前和D）驅動後的掃描電鏡照片。E、F）在200 mV s-1的掃描速率下致動1000次後致動器橫截面的光學顯微照片。
綜上所述，本研究提出了一種新的、通用的設計和開發電化學裝置的方法，它以OSNTs為主要成分，能够在液體和凝膠聚合物電解質中工作。該器件具有低功耗/應變、大變形、快速離子傳輸/積累、動力學可調和良好的驅動穩定性等優异的電化學特性。這種高性能歸因於OSNTs巨大的比表面積、大的離子交換和積累、低的彈性模量、高的電荷存儲密度和大的比電容。通過利用這些令人印象深刻的特點，本文設計並製造了一種由多個基於OSNTs的微執行器組成的小型化移動裝置，這些微執行器可以同時單獨控制。通過對變質量物體系統的運動和質量輸運的實驗研究和理論分析，建立了OSNTs驅動器的動力學模型，並引入了一種修正形式的歐拉-伯努利撓度方程用於OSNTs驅動器。可以配製各種化學衍生和功能化的有機電晶體，以進一步提高該器件的電化學-機械效能，超越電化學效能。考慮到這些成就以及OSNTs和OSNFs的廣泛應用，本文預計基於OSNTs的電化學設備將被用於軟機器人、人造肌肉、生物電子和生物醫學設備領域的下一代執行器的發展。
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