在全球的實驗室裡，科學家們長期以來一直夢想著製造出如此小型的機器，能夠抓取、彎曲和移動比頭髮還要細的物體。然而，精確且可逆地控制如此微小的物體一直是一個巨大挑戰。現在，來自波蘭科學院的研究團隊展示了即使是厚度僅及人類頭髮的碳纖維，也可以在不需要任何直接連接的情況下進行彎曲和伸展。他們的概念驗證研究揭示了一種將普通碳纖維轉化為微型執行器的新方法。這一成就有可能重塑微機械和柔性機器人技術，提供一條更簡單的微觀運動路徑。
研究作者指出：「我們預期這些結果將豐富柔性機器人和微機械領域的工具箱。」長期以來，智能纖維的挑戰一直存在。多年來，研究人員嘗試製造智能纖維——這些材料在電力、光線、熱量或酸鹼度變化的刺激下改變形狀。現有的智能聚合物可以對這些刺激做出反應，改變顏色或形狀，然後恢復到原狀。然而，當涉及到微纖維和納米纖維時，情況變得更加複雜。許多系統需要特殊的塗層、結構修改或複雜的製作步驟，以使纖維能夠響應外部刺激，這增加了成本和複雜性，並限制了實際應用。
核心問題在於精確和可逆的控制。科學家們有時能使纖維移動，但這並不是以可控和可重複的方式進行的。這就是研究作者採取不同方法的地方。他們沒有對纖維進行大量修改，而是使用未塗覆和未改變的碳纖維，並專注於電力如何與其互動。碳纖維已在工程中受到重視，因其比鋼或鋁更輕，但卻極其強韌，而且具備導電性，這使其成為電化學實驗的理想材料。
研究人員將一根微米直徑的碳纖維放置在一個特殊的電化學裝置中，稱為雙極電池。這種系統自1970年代以來已被用於生物傳感器、反應器和電池。其設置的工作原理相對簡單：電流使碳纖維彎曲。研究人員將纖維放置在兩個充滿含有離子的液體的隔間之間，這些離子如鋰 (Li⁺) 和過氯酸根 (ClO₄⁻)。該溶液還包含一對氧化還原反應物：苯醌和氫醌，這有助於驅動氧化和還原反應。當外部電壓施加到電池時，發生了一些驚人的事情。
團隊比較了兩種纖維：光滑的和自然粗糙的。粗糙的纖維表面有微小的凹槽和不均勻的孔隙。這些粗糙纖維的孔隙分佈並不對稱，而這種自然的不對稱性被證明是至關重要的。當施加電壓時，來自液體的離子不均勻地進入纖維表面。在纖維的一側，發生氧化；而在另一側，則發生還原。由於離子的插入在一側比另一側更強，纖維經歷了不均勻的張力，這使其彎曲。當電壓反轉或移除時，離子離開纖維表面，張力消失，纖維再次伸直。
簡而言之，離子在碳纖維內部的進出使其彎曲和伸展。這一運動是完全可逆的，並依賴於施加的電壓和纖維的長度。重要的是，纖維並未直接連接到電線上。封閉的雙極電池允許在一端同時進行氧化，而在另一端進行還原，從而實現無線執行。研究作者之一的Wojciech Nogala表示：「我們成功地使用封閉的雙極電池來無線地實現自由懸浮的碳纖維的電化學驅動。」
研究人員還展示了可以循環施加電壓脈衝的可能性。通過仔細控制脈衝持續時間和電壓水平，纖維可以反復上下移動，類似於微型夾子。這顯示該系統不僅僅是一個一次性效應，而是一種可控的機械反應。這項研究仍處於概念驗證階段，但其意義深遠。如果簡單的預製不對稱碳纖維可以作為微型執行器，工程師可能不再需要複雜的塗層或重新設計來構建微型設備。
這些纖維可以應用於微型機器人的合成肌肉、微機電系統或需要在極小尺度上移動或抓取物體的設備。運動的強度取決於電壓和纖維的長度，這意味著該系統可以進行調整。未來，研究團隊計畫探索基於預製不對稱碳纖維的執行器並優化性能。如果成功，這種由離子流動驅動的簡單機制可能有助於推動下一代柔性機器人系統和微型工具的發展，讓我們更接近於在細胞和微小結構的尺度上運作的機器。這項研究發表於《自然通訊》期刊。
