【導(dǎo)讀】一段軟質(zhì)材料被刀割破，室溫條件下放置一小時(shí)后，經(jīng)測(cè)試，其力學(xué)性能可恢復(fù)至原始狀態(tài)的91%……近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物基高分子材料團(tuán)隊(duì)與韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)以及韓國(guó)忠南大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)共同合作，開發(fā)出一種“超靈敏且可自我修復(fù)的離子皮膚”。相關(guān)論文在線發(fā)表于《自然·通訊》。
一段軟質(zhì)材料被刀割破，室溫條件下放置一小時(shí)后，經(jīng)測(cè)試，其力學(xué)性能可恢復(fù)至原始狀態(tài)的91%……近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物基高分子材料團(tuán)隊(duì)與韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)以及韓國(guó)忠南大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)共同合作，開發(fā)出一種“超靈敏且可自我修復(fù)的離子皮膚”。相關(guān)論文在線發(fā)表于《自然·通訊》。
“這項(xiàng)研究成果模擬了類似生物觸覺細(xì)胞的離子信號(hào)傳輸系統(tǒng)，根據(jù)力的變化控制離子導(dǎo)體內(nèi)部的離子分布，最大限度地提高觸覺感知。”論文通訊作者、中科院寧波材料所應(yīng)鄔彬副研究員介紹，非常有意義的是，它提出了一種同時(shí)恢復(fù)傷口和觸覺功能的離子皮膚技術(shù)的新概念，可用于人類義肢皮膚或者機(jī)器人皮膚，尤其是應(yīng)用于可穿戴醫(yī)療領(lǐng)域中的人機(jī)接口。
受人類皮膚感知結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家此前曾開發(fā)出若干種具有離子傳輸機(jī)制的離子皮膚，并應(yīng)用于遙控器、傳感器等機(jī)械設(shè)備。相關(guān)材料雖然具有高抗干擾性、出色的空間分辨率以及對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)刺激的響應(yīng)能力，但容易受到持續(xù)磨損，引起意外機(jī)械損傷，導(dǎo)致功能中斷或設(shè)備壽命減少。
離子皮膚的設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)：由離子動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的動(dòng)作電位刺激和動(dòng)態(tài)二硫鍵的鍵交換效應(yīng)模擬人體皮膚的外力感知和自愈合功能 科研團(tuán)隊(duì)供圖
是否可以參照人類皮膚，賦予離子皮膚自我修復(fù)能力，從而確保相應(yīng)設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命？
應(yīng)鄔彬介紹，電子皮膚2021年的市場(chǎng)規(guī)模為63億美元，市場(chǎng)預(yù)計(jì)年復(fù)合增長(zhǎng)率為21.1%。離子皮膚是電子皮膚的下一代產(chǎn)品，目前還處于研發(fā)階段。
此次研究中，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)根據(jù)觸覺細(xì)胞的機(jī)械刺激響應(yīng)原理，模擬真實(shí)人體皮膚的自愈功能和生物離子信號(hào)傳遞機(jī)制，設(shè)計(jì)合成了一種含有動(dòng)態(tài)二硫鍵功能基團(tuán)和氯取代基的新型熱塑性聚氨酯材料。
在此基礎(chǔ)上，他們以離子液體作為信號(hào)傳輸介質(zhì)，填充入這一熱塑性聚氨酯材料后，開發(fā)出了新型的離子導(dǎo)體，并以銀納米線為柔性電極，聚氨酯為封裝材料，組裝成目標(biāo)離子皮膚。
“動(dòng)態(tài)二硫鍵具有鍵交換作用，哪怕在室溫下也可以進(jìn)行。材料出現(xiàn)破損時(shí)，鍵交換作用會(huì)拉近分子鏈的距離并讓其重新堆疊在一起，宏觀上也就表現(xiàn)出自愈合的現(xiàn)象，靈敏的觸覺功能也可以隨著傷口愈合而恢復(fù)。” 應(yīng)鄔彬介紹，通過機(jī)械刺激改變氯取代基與離子液體之間可逆的離子偶極相互作用，能夠有效提高即時(shí)電容和初始電容的差值，從而提高靈敏度。
“這項(xiàng)工作是之前‘仿真肌肉’工作的進(jìn)階，更接近人體的感受機(jī)制，離柔性的人機(jī)接口更近了一步。”應(yīng)鄔彬介紹。
此前，中科院寧波材料所生物基高分子材料團(tuán)隊(duì)曾開發(fā)過一種新型聚氨酯（DA-PU）材料，即“仿真肌肉”，適合用作可拉伸電子產(chǎn)品的彈性基體，可確保電子器件在復(fù)雜環(huán)境下仍能穩(wěn)定工作。不過，“仿真肌肉”沒有用到離子傳輸機(jī)制，而是用到電子傳輸機(jī)制。電子和人體的離子不匹配，在人體的應(yīng)用上有局限。
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