摘要： 本文介绍具有智能功能的新型电子材料，包括压电材料、磁致伸缩材料、形状记忆合金材料、智能高分子材料、电流变液、磁流变液等等。简要介绍它们的功能与应用。
关键字： 智能材料，
1 引言
随着电子技术的飞速发展，人们对新材料新器件的需求十分迫切，因此，一大批新材料新器件不断被开发成功并获得广泛应用，电子智能材料便是其中的一个类型。20世纪80年代，人们提出了智能材料的概念。智能材料按其功能被分为两大类：第一类是对外来的（或材料或系统内部的）有关刺激（如机械应力、机械应变、热、光、电、磁、化学能、辐射等等作用）具有感知的材料，所以也称它们为感知材料。它们可以被制作成相应的传感器件；第二类是在外界环境条件（或材料内部的状态）发生变化时可以作出响应或进行驱动的材料。它们可以被制作成多种多样的驱动或执行器件。采用智能材料做成的传感器和驱动器，在电路中能够完成相应的灵敏而恰当的反应动作，并且在外部的刺激消除之后又能迅速地恢复到原始状态。鉴于这类材料具备这种特性，故被称为智能材料。这种可以制作成传感器、驱动器并可以与控制系统集成于一体的智能材料，具有许多突出的优点。本文介绍压电材料、磁致伸缩材料，形状记忆合金材料、智能高分子材料、电流变液、磁流变液等常见的智能材料及其主要的应用情况，着重介绍它们在非电磁原理驱动元件中的应用，这也是近些年来国际上研究开发的一个热门领域。所谓非电磁原理驱动技术就是指该驱动系统的设备不是按照通常的电磁感应定律运作的驱动技术。这方面的成果目前以压电材料和磁致伸缩材料制作的驱动装置最多，发展最迅速。
2 压电材料
1880年，法国物理学家P.居里和J.居里兄弟发现了压电现象：当把重物放置在石英晶体上，晶体的表面会产生电荷，而且电荷量与压力成正比例，与之相反，当某些晶体在外电场作用下则会产生机械变形。所以，压电材料的基本原理是：当压电材料受到外来机械压力作用产生变形时，会在其两个端面间产生电动势，人们把这种现象称为正压电效应；反之，当对压电材料施加电压时，会产生机械变形，这种现象则被称为逆压电效应。产生压电效应的基本机理是：具有压电能力的材料其晶体的对称性较低，当压电材料受到外力作用产生变形时，晶胞中的正负离子产生相对位移，使得正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面的电荷面密度等于极化强度在表面法线上的投影，所以，压电材料受压力作用变形时的两端会出现异号电荷。反之，压电材料在电场作用下发生极化时，会因电荷中心的位移而导致材料变形。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流；而将高频电信号加在压电材料上，则产生高频机械震动，如大家熟悉的超声波发生器就是利用这种原理。
利用压电材料可以因为机械变形产生电场，也可以因施加电场而产生机械变形的固有机—电耦合效应，从而使得压电材料在工程技术中得到广泛应用，例如用作传感元件如地震传感器、力、速度、加速度等的测量元件、电声传感器等，还可以被用来制作智能结构件，这类结构件除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等等功能。
2.1 压电材料分类
目前，压电材料被分为三类：无机压电材料、有机压电材料和复合压电材料。
(1)无机压电材料
无机压电材料分为压电陶瓷和压电晶体，压电陶瓷泛指压电多晶体，压电晶体则一般是指压电单晶体。
a.压电陶瓷：压电陶瓷是将其所必要的成分原材料进行混合、粉碎、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程中获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。它们之中具有压电特性的则被称为压电陶瓷，其实际上是铁电陶瓷。这种陶瓷具有压电性能的原因，是因为这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电畴由与自发极化方向相反平行的180畴和自发极化方向互相垂直的90畴组成，这些电畴在人工极化（即施加强直流电场）条件下，自发极化按外电场方向充分排列并在撤消外电场之后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电特性。这类材料有钛酸钡BT，锆钛酸钡PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸钡PT等。这类材料的研制成功，促进了声换能器、压电传感器的各种压电器件性能的改善和提高。
b.压电晶体：压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电特性。水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体铌酸锂、钽酸锂等均为这类晶体。
压电陶瓷与压电晶体比较，压电陶瓷的压电特性强、介电常数高、加工性能好，可以加工成任何形状；但其机械品质因数较低、电损耗较大、稳定性差，因此，它们适合应用于大功率换能器和宽带滤波器等。石英等压电单晶体的压电特性弱，介电常数很低，受切割形状的限制存在尺寸局限，但稳定性很高，可用作标准频率控制的振子、高选择性的滤波器（多为高频窄带通）以及高频、高温超声换能器等。近年来，研究开发了一种铌镁酸铅Pb(Mg1/3 Nb2/3)O3的单晶体。其性能优异(Kp≥90%、d33≥900×10-3C/N、ε≥20000)，但由于其居里点太低，离实用性还有较大距离，故国内外都在强化研究。[#page#]
(2)有机压电材料，又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯(PVDF)薄膜材料。这类材料具有材质柔韧、低密度、低阻抗和高压电电压常数(g)等特点，发展迅速，现已在水声超声测量、压力传感、引燃引爆等方面获得应用。这类材料的不足之处是压电应变常数(d)偏低，使其用作有源发射换能器受到很大的限制。
(3)复合压电材料：这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状或粉末状压电材料构成的。目前已在水声、电声、超声、医学等领域获得广泛应用。例如制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损，还可以用在不同的水深。
2.2 压电材料的应用
众所周知，压电材料无论在正压电效应还是在负压电效应中，其变形量都十分微小，一般都在几个nm/V（纳米/伏），单个压电元件的变形量约为其总长度的0.1%~0.2%，这是压电材料应用时的前提之一。
压电材料的应用领域可粗略分为两大类：即①振动能和超声振动能——电能换能器的应用，包括电声换能器、水声换能器和超声换能器等，②传感器和驱动区的应用。
(1)换能器
换能器是将机械振动转变为电信号，或者在电场驱动下产生机械振动的器件。压电聚合物电声器件是利用聚合物的横向压电效应，而换能器设计则是利用聚合物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动。用以上原理生产的电声器件有麦克风、立体声耳机、高频扬声器等，还生产一些其它压电材料难以实现的特殊电声功能器件，如抗噪音电话、宽带超声信号发射系统等。
水声换能器：最初的水声换能器是用于军事需要的，如水下探测使用的大面积传感器阵列和监视系统，随后，其应用领域逐步扩大到地球物理探测、声波测试设备等。为满足特定要求的水声器件，采用了不同类型和形状的压电聚合物材料，如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等，这样可以充分发挥压电聚合物高弹性、低密度、易于制成大小不同截面的元件。
(2)压电驱动器
压电驱动器是利用逆压电效应将电能转变为机械能或机械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，包括利用横向效应和纵向效应两种方式开展驱动器应用的研究，如显示器件控制，微位移产生系统等。以上提到，单个压电元件的变形量十分微小，为几个nm/V和总长度的0.1%~0.2%。所以，这对精密定位的微执行器很有意义。同时也表明，为了获得较大的位移范围，可以将多个执行器叠装或者采取一定的结构形式达到目的。多层压电陶瓷驱动器的制作方法是将压电陶瓷薄片印刷上电极浆料后叠装在一起，放入高温炉中烧结而成。压电微执行器的另一种工作方式为压电悬臂梁。压电悬臂梁是在悬臂梁基体材料的上、下两面分别制作一层压电材料和相应的电极，当施加在上、下面压电层的电压符号相反时，两层压电膜分别伸长和缩短，从而使悬臂梁发生弯曲，在其末端产生垂直于悬臂梁的位移；而当施加在两个面上压电层的电压符号相同时，悬臂梁伸长或缩短，产生沿悬臂梁方向的位移。层压式压电驱动器具有出力大的优点，其最大出力可以达到30000N，但其位移量只能达到20~200μm。但悬臂式压电驱动器具有位移大的优点，其弯曲位移可达到1mm，但出力只有5N左右。对于微机电系统而言，以上参数已可满足要求。
(3)压电微电机
a.超声波电机：超声波电机是压电材料在电机应用中的典范。超声波电机是利用压电陶瓷(PZT)的逆压电效应产生超声振动直接驱动转子而获得运动和力矩。超声波电机突破了传统电磁式电机的概念，能量的耦合不是利用电磁感应，而是利用压电陶瓷的逆压电效应实现能量传递的，故这种电机具有结构简单、小型轻量、响应速度快、能获得低速大转矩，可用于直接驱动，断电时具有高自锁力矩，不受电磁场干扰等优点，还具有耐低温，真空等适合太空环境的特性。
b.压电摆线微电机
压电摆线微电机的工作原理如图1所示：在其定子内壁和转子外壁上分别具有内齿和外齿，它们可以互相咬合。在定子外壁上分别安装有互成90°的四个压电驱动器，它们将定子卡在中间。当四个压电驱动器分别施加互成90°相位差的交变电压，四个压电驱动器产生相位差90°的伸缩运动，从而带动定子做圆周摆动，这时转子因齿与齿之间相咬合被带动发生转动。图1所示的摆线微电机采用的压电元件之尺寸为5mm×5mm×20mm，在150V电压作用下伸长16μm。[#page#]
(4)压电式传感器
a.压电式压力传感器：它们是利用压电材料具有压电效应制作的。由于压电材料的电荷量是一定的，所以在其连接时要避免漏电。压电式压力传感器的优点是具有自生信号、输出信号大，较高的频率响应，体积小，结构坚固。缺点是只能用于动能测量，需要特殊电缆，在受到突然的振动或过大的压力时，自我恢复较慢。
b.压电式加速度传感器
压电元件一般由两块压电晶体片组成。在压电晶体片的两个表面上都镀有电极，并引出引线。在压电晶片上放置一个质量块，该质量块一般采用比较大的金属钨或大比重的合金制成。然后用一支硬弹簧或螺栓、螺母对质量块预加载荷，整个组件安装在一个带基座的金属壳体中。并且，该金属壳体要采用加厚的和刚度较大的材料做基座，这样可以隔离掉测试件的任何应变传送到压电元件上，避免产生假信号输出。
在测量加速度时，将传感器基座与试件刚性地固定在一起，当传感器受到振动力作用时，由于基座和质量块的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，故可以认为质量块的惯性很小，因此，质量块经受到与基座相同的运动时，也受到与加速度方向相反的惯性力的作用，为此，质量块将有一个正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由于压电晶片具有压电效应，因此在其两个表面上将产生交变电荷（电压），当加速度频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电压与作用力成正比，也就是与测试件的加速度成正比，输出电量由传感器输出端引出并输入到前置放大器后就可以用普通测量仪器测出测试件的加速度。如果在放大器中加入适当的积分电路，就可以测量测试件的振动速度或位移。
c.压电式传感器在机器人中的应用
机器人安装压电式传感器的主要目的有以下三个：①在接触其对象物体之前，获取必要的信息，为下一步的运动做准备；②探测机器人手和足的运动空间内有无障碍物。如发现障碍物则及时处理，避免发生碰撞；③为获取对象物体表面形状信息。
机器人采用超声传感器的目的是探测其周围物体的存在与测量物体的距离。但一般用于探测周围环境中较大的物体，并且其距离应大于30mm。超声传感器探测周围物体及其距离的原理类同雷达探测技术。
压电材料除用于上述器件外，还有压电变压器、压电震荡器、压电鉴频器和压电滤波器等等。
2.3 压电材料及其应用的发展趋势
因电子产品小型化、扁平化发展趋势的带动，压电材料及其应用的研究方兴未艾，现选择几种压电材料与应用介绍如下。
a.细晶粒压电陶瓷
早期的压电陶瓷是由几微米到几十微米的多畴晶粒组成的多晶材料，现已不能满足应用的需要。研究发现，减小粒径至亚微米级，可以改进陶瓷的加工性能，如将基片做得更薄，可提高阵列频率，降低换能器阵列的损耗，提高器件的机械强度，减小多层器件每层的厚度，从而降低驱动电压，这对提高叠层变压器，制动器的性能都是有益的。但是，减小粒径也导致了压电效应下降的弊端，为此，人们改进了传统的掺杂工艺，使其压电效应能达到粗晶粒材料的水平。目前，人们已用小粒径压电陶瓷研制成功高频换能器、微制动器和薄型蜂鸣器等。随着纳米技术的发展，细微晶粒压电陶瓷材料与应用的研究是近期的热点课题。
b.PbTiO3系压电材料
PbTiO3系压电陶瓷最适合制作高频高温压电陶瓷元件。但其存在烧成难、极化难、制作大尺寸产品难等问题。目前的主要工作是改性研究，如改进烧结温度，抑制晶粒长大等。改性PbTiO3系材料已在金属探伤、高频器件等方面大量使用。
c.压电陶瓷——高分子聚合物复合材料
无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两者都没有的特性。可根据需要，综合两相材料的优点，制造性能更优良的换能器和传感器，其接收灵敏度很高，尤其适合于水声换能器。
d.压电性能特异的多元单晶压电材料
现已研制出的这类材料有Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶(A=Zn2+， Mg2+)，其单晶的d33最高可达到2600pc/N（注：压电陶瓷的d33最大为850pc/N），K33可高达0.95（压电陶瓷的K33最高为0.8），应变则>1.7%，几乎比压电陶瓷的应变高一个数量级；其储能密度高达130J/kg（压电陶瓷的储能密度在10J/kg以内）。学者们称这类材料的研制成功是压电材料发展史上的一次飞跃。目前，美国、日本、俄罗斯和我国的科学家已开始其批量生产的工艺技术研究。[#page#]
3 磁致伸缩材料
磁致伸缩材料在磁场的作用下具有显著的磁致伸缩效应，也就是说，在磁场的作用下，磁畴发生旋转，最终与磁场排列一致，导致材料长度或体积发生改变，这种将电磁能转变为机械能或者将机械能转换为电磁能的金属、合金和铁氧体等磁性材料都是具有磁致伸缩效应的材料。磁致伸缩现象是焦耳发现的，故也称为焦耳效应(Joule effect)。金属与合金磁致伸缩材料的电阻率低，饱和磁通密度高、磁致伸缩系数λ大(λ=Δl/L，l是材料原来的长度，Δl为在磁场H作用下长度的变化量)。金属磁致伸缩材料用作低频大功率换能器可以输出较大能量。铁氧体磁致伸缩材料的电阻率高，适用于高频元件，但其磁致伸缩系数λ和磁通密度均小于金属、合金磁致伸缩材料。
3.1 磁致伸缩材料的主要应用
磁致伸缩材料已在工程中广泛应用，做成多种器件，如①超声波类器件，包括超声波发生器、超声接收器、超声探伤器、超声钻头、超声焊机等；②回声器件，如声纳、回声探测仪等；③其它类型的器件，包括机械滤波器、混频器、压力传感器以及超声延迟线等等。
3.2 磁致伸缩材料及应用的主要发展前景
当前与今后一个时期，磁致伸缩材料及应用的重点是稀土超磁致伸缩材料及其应用的研究开发。
稀土超磁致伸缩材料是上世纪80年代中期开发的新型功能材料，如Terfenol-D(Tb0.27Dy0.73Fe2)，这是用铽(Tb)、镝(Dy)稀土材料和铁(Fe)组成的合金材料，它们在磁场作用下所产生的磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料（如镍压电陶瓷等）要高出100~1000倍。这种稀土——铁的磁致伸缩材料具有磁致伸缩值大、机械响应快、功率密度大等特点，因而非常适合作为一种新型高效磁（电）能——机械（声）能变换材料。以这种材料制成的磁致伸缩电机，在大应变、强力矩、高功率密度、高精度、快速响应以及高可靠性方面是其它类型的电机无法企及的，因此而倍受人们关注。
图2示出了一种稀土磁致伸缩材料应用的例子——稀土超磁致弹性波直线马达动作原理示意图。
这种马达是把Terfenol-D棒紧密配合装在定子管内部，以驱动线圈产生磁场。在磁场从管子一端向另一端移动时，磁棒变细伸长并向相反方向移动。在磁场通过的区域，棒径恢复“自夹持”棒体，保持已得到的位移。这种电机能产生1000N驱动力，精度达到亚微米级，极限速度为1m/s，有几种行程，重量很轻。驱动棒在受力变化时发生的弹性模量变化使驱动频率改变，从而自动调整运行速度，实现在开路控制状况下的精确定位。它们主要被用于机床和造纸工业中的精密控制。
目前，世界上生产稀土超磁致伸缩材料的公司主要有美国的边缘技术公司(ETI)，瑞典的菲逻迪公司(FAB)、英国稀土制品公司(REP)和我国的北京钢铁研究总院(CISRT)。它们的产品状况请见表1。
4 电流变液
电流变液简称ER流体，它是由高介电常数、低电导率的电介质颗粒分散于低介电常数的绝缘液体中形成的悬浮体系，它们可以快速地和可逆地对电场作出反应。因此，电流变液可作为一种执行器完成一定的动作过程，其原理简述如下：电流变液在外加电场的作用下，其中的固体颗粒和绝缘液体的介电常数不匹配，于是，颗粒物会发生极化。因电场的感应作用，颗粒首先在两极板间排列成链，随着电场的进一步增强，链与链之间相互作用而集聚成柱，从而由液态进入固态。在这个转变过程中的粘度变化是连续的、无级的，在固态和液态之间的转化是可逆的，且转变极为迅速，仅需几毫秒，转变所需要的电能很小。当电场减弱或消失的时候，又可以快速地恢复到原始状态。利用电流变液的这种特性，通过电场的作用，可以实现力矩的可控传递及在其它方面在线无级的可逆控制，因而在机电一体化的自适应控制机构，诸如减振器、离合器液体阀、制动器、驱动器、光学仪器、印刷机械和机器人等等之中具有广泛的应用前景。
现以机器人的一些机构，对其使用于活动关节的情况进行介绍。利用电流变液特性可以制造出体积小、响应快、动作灵活、并直接使用微机控制的机器人活动关节，如图3所示。这种活动关节是采用三根皮管分别与三个电流变液阀相连接，调节三个电流变液阀上的电压，用以控制三根皮管内流动液体的流量，使整个“手指”由于皮管内的流体压力变化而向一定的方向“伸曲”。目前，科研人员正在把这种执行器用于可控机器人手臂和飞行控制器的伺服机构。
再如用电流变液原理制造的离合器，可实现无级调节，易于用计算机控制，如图4所示。在未施加电场时，电流变液为液态，而且粘性低，不能传递力矩；当施加电场后，电流变液的粘度随电场强度的增大而变高，能够传递的力矩也相应地增大，当电流变液成为固态时，主动轴与滑轮结合成一体。以这个过程就可以用电流变液取代传统的齿轮离合装置。根据这一原理，同样可以设计出新型的汽车转向系统、汽车减震装置以及汽车制动装置等。[#page#]
5 磁流变液
磁流变液（简称MR液体），这也是一种可控的流体，它们是用不导电或导电的母液和均匀散布其中的磁性固体颗粒制成的悬浮液。若磁流变液受到一个中等强度的磁场作用时，其表现粘度系数增加两个数量级以上；当磁流变液受到一个强磁场作用时，磁流变液中的固体颗粒形成一条纤维状的“链”横跨于两个电极之间，即在强磁场作用下，磁流变液完成了液态向固态之间的转化。对于平行于磁场的剪切力而言，在磁场作用下，磁流变液从流动性良好的具有一定粘滞度的牛顿液体转变为具有相当屈服剪切力的粘塑磁体，即流体发生了固化、流动性消失。而一旦去掉磁场，又将变回可以流动的液体。
磁流变液主要由磁性颗粒物，基液和稳定剂组成。通常情况下，磁流变液所用的磁性材料都属于铁、钴、镍等多畴材料，其颗粒尺寸范围在(0.01~10)μm之间。基液可以是油、水或其它复杂的混合液体；稳定剂是用来保证磁性颗粒悬浮于液体中的；稳定剂则具有特殊的分子结构；一端有一个对磁性颗粒界面产生高度亲和力的钉扎功能团，另一端还需要有一个极易分散于基液中去的适当长度的弹性基团。工程应用中已经设计和制造了多种MR液体器件，如液压控制伺服阀、阻尼器、振动吸收器以及驱动器等等。图5所示为MR液体耗能阻尼器。该阻尼器中的活塞只有克服阀中磁流变液的屈服剪切力，使其产生塑性流动，才能在缸体中运动。因此，只要调整磁流变液阀中的磁场强度，就可以调整阻尼器中活塞运动阻尼力的大小，从而改变振动的固有频率，达到有效地隔离振动的目的。
磁流变液应用中的主要缺点是响应时间较慢，其次是其稳定性较差，即颗粒物在基液中容易产生沉降，同时，磁流变液在一定的温度范围内的粘度稳定性较差，因此需要研发更好的稳定剂。
6 形状记忆合金材料
形状记忆合金(SMA)是智能材料中被最早应用于结构件的金属材料。其特征是具有形状记忆效应，就是说材料能够记住它在高温状态下的形状，当处于低温下的形状记忆合金在外力作用下产生变形后，如果将其加热到超过材料的变相点，它就会恢复到原来高温状态下的形状。形状记忆合金用作驱动元件的最主要特性是：可实现多种多样的变形状态，变形范围大，加热驱动时的驱动力较大。形状记忆合金可恢复的应变量达7%~8%，比一般材料高得多。利用SMA的形状记忆特性可以制作对环境温度敏感的热响应执行器，也可利用SMA的导电性能进行电加热，构成电驱动执行器件。目前最具备实用价值的SMA是NiTi合金，其形状记忆特性和机械特性都十分优越，故非常适合用来制作驱动器。
日本研制开发的一种用于海床检测的能够独立行走的形状记忆合金机器人（见图6所示），这种机器人模拟螃蟹设计，其“肌肉”部分则是用SMA制作的元件构成的。其工作原理是，借助电流加热，依靠周围海水进行冷却，控制脉冲电流就能使该机器人在海底平滑移动。该机器人能以250mm/s的速度移动。
美国海军与美国马萨公司等单位合作，也研制成功了类似于日本的机器人，但其机器人有8条腿，构成其“肌肉”的为SMA材料，它能够产生像真的螃蟹一样的动作。美国的这种机器人总长61cm，高46cm，有8条腿和二个钳子，它的对称夹钳能够产生控制舵的作用，也能够承载用于水雷销毁的传感器和少量炸药。
由于SMA驱动器动作时不受温度以外的环境因素的影响，没有常规电机或液压系统的可动密封部分，因此可在普通元器件不能适应的水中或真空中使用，甚至可以在环境条件非常严酷的场合（如存在腐蚀的环境，原子反应堆内部）中使用。由此可见，利用形状记忆这种能够变形伸缩的特性制作的微驱动器替代电磁机构和微型电机等复杂装置，可以大大简化结构，同时还可以因为不消耗传动电力而节约了能源，并具有高功率体积比等优点。因此，SMA十分适合用于微机电系统中，尤其适合用于与温度传感器集成和驱动之间窄小的场合。
7 智能高分子材料
智能高分子材料是指三维结构高分子网络与溶剂组成的体系。其网络的交联结构使其不溶解并保持一定的形状。因为凝胶结构中含有亲溶剂性基团，使它可以被溶剂溶胀，从而达到一平衡体积。这类高分子凝胶溶胀的推动力与大分子链和溶剂分子间的相互作用，网络内大分子链的相互作用以及凝胶内部和外部介质间离子浓度差所产生的渗透压有关。鉴于这种作用，这类高分子凝胶可以感知外界环境细微变化与刺激，如温度、PH值或电场等刺激而发生膨胀或收缩，对外做功。例如在电场作用下，凝胶产生溶胀和收缩即能将电能转换成机械能。
凝胶材料导致了“人工爬虫”像动物一样的动作，其原理如图7所示。高分子凝胶在带相反电荷的表面活性剂溶液中，因为形成不溶于水的复合物，导致凝胶的体积收缩；在没有电场时，凝胶与表面活性剂的相互作用是等方向的，因此整个凝胶作均匀收缩。但是，在电场作用下，带正电荷的表面活性剂分子向阴极运动，途中遇到带负电荷的凝胶后被吸附在它的表面，中和凝胶的负电荷，从而使面向阳极的凝胶表面收缩。吸附在面向阴极的凝胶表面的表面活性剂分子则在电场作用下脱离凝胶向阴极运动，使得这个凝胶表面产生膨胀。由于凝胶的膨胀，收缩时上下不对称，从而产生弯曲。当变换电场方向时，原来被吸附在表面的表面活性剂分子脱离凝胶，被相反方向的表面吸附，因此凝胶向相反方向弯曲。由于凝胶被挂在带有不对称齿纹的杆子上，在极性变化的电场下，凝胶以曲伸运动方式向前移动，组成了具有较长运动距离的曲伸型执行器，类似于人工肌肉。所以，科学家们将凝胶作为人工肌肉的候选材料，准备用于机器人驱动元件和假肢正在开展深入研究。
参考文献
[1] 互联网资料
[2] 中国电子学会第十六届电子元件学术年会论文集
