软体机器人能够通过柔性结构实现弯曲、伸缩等复杂形变，但传统电池和电容器通常具有较高刚度和较大体积，直接集成容易增加系统负载并限制驱动变形。柔性微型超级电容器为软体机器人提供了轻量化储能方案，然而，当其与具有热响应可逆形变能力的液晶弹性体结合时，电极、凝胶电解质与软基底之间的力学和界面性质差异，容易在反复热驱动中引起界面失效。因此，如何兼顾电极可打印性、储能性能与多层界面的长期稳定，是实现储能-驱动一体化器件需要解决的关键问题。
近日，江南大学纺织科学与工程学院研究团队在柔性储能与软体机器人功能集成领域取得新进展。针对软体机器人在反复驱动过程中，储能器件与柔性驱动基底之间容易发生界面脱粘、进而影响器件稳定性的问题，研究团队构建了一种基于液晶弹性体（LCE）与微型超级电容器（MSC）的热驱动储能-驱动一体化软模块。相关成果以“Liquid Crystal Elastomers Micro-Supercapacitors with Robust Interfacial Integration for Untethered Soft Robotics”为题，于2026年8月30日在期刊《Small》在线发表。研究团队采用直写式3D打印技术（DIW），将MXene/ TEMPO氧化细菌纤维素（TOBC）复合电极直接打印在经等离子体处理的LCE基底上，并在电极表面构筑可交联离子凝胶电解质。TOBC纳米纤维网络改善了MXene复合墨水的流变性能和成形能力，有助于电极在打印后保持清晰的图案边界；同时，TOBC能够作为片层间的支撑结构，缓解MXene纳米片堆叠，为离子传输提供通道。
在器件界面设计方面，研究团队构建了分层协同的界面连接策略：等离子体处理在LCE表面引入羟基，增强MXene/TOBC电极墨水的润湿，并促使电极与LCE之间形成氢键网络；另一方面，利用含TMPTMP和TMPTA组分的离子凝胶电解质，在紫外光照射下发生巯基-烯点击反应，使电解质网络与LCE表面形成共价连接。氢键作用与共价键连接相结合，增强了电极/基底及电解质/基底界面的协同稳定性，推动器件由简单物理叠层向化学集成结构转变。
图1 热驱动微型超级电容器软模块的结构设计、界面连接机制及储能-驱动集成应用示意。
得益于复合电极结构和界面协同设计，优化后的热驱动微型超级电容器在电流密度为0.5 mA cm⁻²时，面电容达到106.12 mF cm⁻²。在约两周、5000次充放电循环并伴随反复热刺激的测试过程中，器件仍保持初始电容的69%。对照实验进一步表明，等离子体表面处理、TMPTMP/TMPTA点击化学连接以及TOBC增强结构均对器件在热机械形变下维持界面完整性和电化学稳定性发挥了作用。
在驱动性能方面，LCE基底受热后发生可逆收缩和弯曲，带动集成器件产生大幅度形变。通过设计非对称锯齿结构，研究团队将器件在加热和冷却过程中的往复弯曲转化为定向位移，实现了类似生物蠕动的运动方式。在60 ℃外部热刺激下，器件累计爬行距离达到6 cm；完成416 s运动后，器件仍保持约90.3%的电容，表明其在运动过程中能够维持较好的电化学性能。此外，通过调节电极在LCE表面的空间分布，还可获得拱形弯曲、局部折叠和铰链式变形等不同驱动模式，为软驱动器的形态设计提供了更多可能。
图2 热驱动微型超级电容器的仿生蠕动过程、运动位移及电极图案调控下的多种形变模式。
在系统集成验证中，研究团队进一步将多个热驱动微型超级电容器模块与热敏控制电路相结合，构建了集储能、热驱动和状态感知于一体的软体抓手。通过串联连接，三个器件可提供约2.39 V的输出电压，为多色LED指示电路供电。抓手在外部热刺激下逐步弯曲并完成抓取，电路则根据温度阈值依次点亮红、黄、绿指示灯，对待机、抓取和抓取完成等状态进行可视化反馈。该验证展示了集成微型超级电容器为传感与状态指示电路提供机载电能的能力。需要说明的是，论文中的LCE形变由外部热刺激触发，集成超级电容器主要为状态感知和指示电路供电。
图3 集成软体抓手的工作原理、抓取过程及温度响应状态指示。
该研究提出了面向液晶弹性体软驱动基底的储能器件界面协同设计方法，将可打印MXene/TOBC复合电极、稳固界面连接与热响应驱动功能结合起来，为提升柔性储能器件在动态软基底上的集成稳定性提供了新的思路。相关结果也为进一步发展兼具储能、驱动与感知功能的多功能软体机器人系统提供了器件设计参考。
论文第一作者为江南大学纺织科学与工程学院硕士生张家帅
通讯作者信息
雪盼：西安稀有金属材料研究院有限公司高级工程师，博士毕业于天津大学材料学院，2023年7月至今就职于西安稀有金属材料研究院有限公司。主要从事智能材料以及航空航天高温材料等研究工作。在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Nano-Micro Lett.、Nano Lett.、Chem. Eng. J和Small等国际知名学术期刊以第一和通讯作者发表SCI研究论文13余篇，发表/授权专利18件。目前主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上资助项目、陕西省秦创原引用高层次创新创业人才项目、陕西省重点研发计划一般项目以及天津市研究生科研创新项目。获西安市高层次地方领军C类人才和陕西省科学技术协会青年托举人才称号。
吕鹏飞：研究员，博士生导师/院长助理，入选江苏省优青、中国科协青年托举人才、天津市“海河英才”青年人才、无锡市“太湖人才计划”创新领军人才和江南大学“至善青年学者支持计划”B类。2019年获江南大学与北卡罗来纳州立大学联培纺织科学与工程博士学位，2019-2021年任天津大学材料学院助理研究员。近年共发表SCI论文110余篇，他引6000余次，H-因子42，以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Mater. Sci. Eng. R、Nano-Micro Lett.和Adv. Funct. Mater.等知名期刊发表高水平论文60余篇，授权国家发明专利12件。主持承担国家自然科学基金面上基金项目、江苏省优秀青年基金项目、国家自然科学基金青年基金项目（C类）、中国科协青年人才托举工程项目、江苏省局重大项目课题、江苏省自然科学基金面上项目、中国博士后科学基金面上项目和无锡市“太湖人才计划”创新领军人才等科研项目20余项，研究成果获2021年新疆自治区自然科学二等奖、2024年中国商业联合会科技进步一等奖、2023年度中国发明创新奖二等奖、2020年江苏省优博学位论文、王善元全国优博学位论文基金和天津市“海河英才”青年人才项目等科研奖励。2024年度《纺织材料学》评教前5%，2023-2025年度江南大学优秀教育工作者。担任期刊《Thermal Functional Materials》青年编委。
