考虑生物系统与传统电子设备的一个根本差异：生物组织通常柔软、有弹性，而电子器件多为坚硬、刚性结构。如今，麻省理工学院的工程师及其合作伙伴开发出一种柔软且可弯曲的凝胶材料，在光照条件下其电导率可以大幅改变。这一成果有望推动人机界面、生物兼容设备以及软体机器人等方向的发展。

这项研究属于一个正在快速兴起的领域——离子电子学。与依靠电子传输信息的传统电子学不同，离子电子学通过离子或带电分子来传递信号。虽然电子学技术已经非常成熟，但离子电子学仍处在发展阶段，生物系统是目前最成熟、也是最典型的例外：人体细胞依靠多种离子（如钾离子、钠离子等）进行通信和调控。

离子电子学有望成为电子设备与生物组织之间的关键桥梁，使两者能够更自然地交互。潜在应用包括柔性可穿戴设备、新型人机交互界面等。

“我们发现了一种机制，可以动态调控软材料中局部离子数量，”麻省理工学院材料科学与工程系 John F. Elliott 职业发展教授、该研究负责人 Thomas J. Wallin 表示，“这可能让系统能够对环境刺激做出自适应响应，在本研究中，刺激就是光。”

换言之，这种材料可以根据光照变化自动调整自身状态，从而在柔性材料内部实现更复杂的信号处理功能。相关成果已于 2 月 21 日在线发表在《自然通讯》（Nature Communications）期刊上。

离子电子学的进展

此前已有研究团队开发出离子导电性能很高的材料，能够让离子快速移动，但这些材料的电导率往往难以主动调控。论文第一作者、现任伦敦国王学院即将上任的助理教授刘旭介绍：“我们实现的是利用光，将一种软材料从近似绝缘的状态切换到电导率提高 400 倍的导电状态。”

这项工作的关键在于一类被称为光离子发生器（PIG，photoion generator）的材料。这类材料在光照下电导率可提升约 1000 倍。麻省理工团队优化了一种将 PIG 掺入聚氨酯橡胶中的方法：先将 PIG 粉末溶解在溶剂中，再通过材料膨胀的方法将其引入橡胶内部，从而得到既柔软又具光响应性的凝胶结构。

巨大的应用潜力

在当前报道的体系中，材料电导率的变化是不可逆的，也就是说，一旦被光激活，其导电状态不会自动恢复。但刘旭认为，未来版本有望实现可逆切换，在绝缘和导电状态之间来回转换。

她指出，目前实验仅采用了一种 PIG、一种聚合物（聚氨酯橡胶）和一种溶剂，而这三类组分本身都拥有丰富的可选种类。因此，通过更换或组合不同的 PIG、聚合物和溶剂，设计出性能更优、响应更灵活的光敏软材料，仍有巨大空间。

刘旭还提到，类似的设计思路可以拓展到对其他环境刺激作出响应的软材料上，例如对温度变化或磁场敏感的体系。“我们受到启发，计划将驱动力从光扩展到其他形式的环境刺激，并在这些方向上开展更多研究，”她说。

“我们的工作有望催生一个我们称之为‘软光离子电子学’的子领域，”刘旭补充道，“我们也非常期待这项研究带来的机会，利用这类材料构建新型软体机器，对柔性可穿戴设备、人机界面、机器人技术、生物医学等多个领域产生影响。”