1 引言
随着纳米科学、增材制造技术和半导体工艺的快
速发展, 微型机器人在设计和制造方面有了长足的
进步, 并在生物医疗、环境检测、军事侦查等领域具
有广泛的应用. 作为其关键组成部分, 微纳执行器能
够响应外部的光、电、磁、热等刺激, 并将刺激信号
转换为机械形变[1–7]. 相比于响应其他外界刺激的执
行器, 电控微纳执行器具有可寻址、和半导体工艺兼
容、能直接被集成电路控制等优点[8–10], 在微纳机器
人、生物医疗器件和智能超材料方面具有广泛的应用.
尽管电控微执行器有颗粒、纤维、薄膜等多种形状
[11–18], 然而, 基于半导体工艺的电控薄膜微执行器具
有低成本、可大批量生产等特点, 近年来引起了广泛
关注.
迄今为止, 已有多篇综述介绍了响应不同激励
源的执行器材料, 如光驱动软材料[19–23]、磁驱动软材
料[24–27]和化学驱动执行器材料[28–31]等. 在执行器制
造方面, 有多篇综述介绍了不同形状的执行器, 如纤
维状执行器[32–35]和微尺度颗粒形变材料[36]等. 近年
来, 随着微纳米薄膜制造技术的飞速发展, 尤其是原子层沉积技术及二维材料的出现, 促使新型电控微
纳米薄膜执行器不断涌现. 然而, 详细阐述其原理、
材料及应用的综述相对较少.
根据电刺激-响应机理, 电控薄膜执行器主要分
为两种类型:一种是通过电化学反应产生形变, 另一
种是由物理效应引起形变. 本文首先阐述了电控薄
膜执行器的形变机理及主要性能指标. 同时结合近
年来涌现出的研究成果, 系统性地总结了多种电致
动薄膜材料, 包括欠电位沉积致动材料、嵌入赝电容
致动材料、氧化还原赝电容致动材料、双电层致动材
料、静电力致动材料、电致伸缩和铁电材料以及热电
致动材料等, 并着重介绍了纳米材料的电致动原理
和性能. 其次, 本文从微纳机器人、生物医疗器件和
智能超材料三个方面介绍了电控薄膜执行器的新型
应用场景. 最后, 本文讨论了电控薄膜执行器的未来
前景和长期挑战.
2 薄膜的电致形变原理
电控薄膜执行器的形变机理可分为电化学和物
理两大类. 其中, 电化学致动机理涉及到离子嵌入、
氧化还原等化学反应过程, 物理形变机理则涉及到
离子吸附、晶格变形以及聚合物网络构型变化等过
程.
单层材料致动模式通常为膨胀和收缩, 其变形
往往局限于平面内. 不存在面外变形或变形较小, 使
得单层材料致动模式难以被应用于微纳机器人、生物
医学器件或智能超材料等需要三维变形的领域. 因
此, 微纳执行器通常采用双层或多层结构, 其中包括
形变层和惰性层, 以将执行器的运动模式转换为弯
曲变形, 如图1(a)所示.
2.1 电化学形变原理
电化学执行器的主体部分是能发生电化学反应
的薄膜电极. 这些执行器既可以在液态电解质中工
作, 也可以由两个电极与夹在中间的电解质构成三
明治结构, 从而在空气中工作. 电化学效应导致的形
变主要起源于三种机制:欠电位沉积、嵌入赝电容和
氧化还原赝电容.
2.1.1 欠电位沉积致动
欠电位沉积是指当金属基执行器沉积电位小于
平衡电位时, 其表面吸附单层金属离子、质子或氢氧
根等离子. 由于主体材料表面吸附离子后, 会发生电
荷转移, 导致其吸附的离子被还原成原子, 进而附着
在执行器材料表面, 从而导致表面晶格膨胀, 引起界
面应力变化, 使执行器弯曲[37], 如图1(b)所示.
根据Jin 等人[38]的研究, 欠电位沉积引起的薄膜
表面宏观应变 如下:
= 2
9
Q
Km




(1)
式(1)总结了材料应变与沉积电荷之间的关系.
其中, Q为转移电荷, m 为试样质量, K 为金属的
体积模量,  为形变金属密度,  为修正因子,  为
应力电荷系数[39].
2.1.2 嵌入赝电容致动
嵌入赝电容是指在电压作用下, 碱金属离子或
质子插入到主体材料中, 如图1(c)所示. 嵌入赝电容
有两种可能的致动机理: 一种是在电压作用下, 离子
插入形变薄膜的片层结构中, 从而产生层间电荷屏
蔽. 由于层间排斥力被减弱, 层间距减小, 形变薄膜
在面外方向产生压缩应变, 在面内方向产生拉伸应
变, 从而使薄膜产生弯曲形变[40]. 另一种可能是离子
插入到片层结构中, 使薄膜膨胀, 在面内和面外方向
上同时产生拉伸应变[41].
2.1.3 氧化还原赝电容致动
氧化还原赝电容的致动原理为, 在电压作用下,
形变薄膜发生氧化还原反应, 并与溶剂中的离子结
合使其体积膨胀, 如图1(d)所示. 与嵌入赝电容致动
不同的是, 在氧化还原赝电容致动中, 薄膜自身发生
了氧化还原反应.
执行器的形变和氧化层的厚度密切相关, 氧化
层的厚度可以通过氧化电压和氧化时间来控制. 例
如, 对于基于金属铂氧化还原反应的致动器, Liu 等
人[10]的研究表明, 氧化层厚度ox h 和氧化电压V 及氧
化时间t 的对数成正比, 如下式所示:
0 0
( ln( )) ox r
h h V t
V t
 
(2)
其中, 式中hr, V0, t0 为和材料相关的参数.