一段軟質(zhì)材料被刀割破，室溫條件下放置一小時后，經(jīng)測試，其力學(xué)性能可恢復(fù)至原始狀態(tài)的91%……近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物基高分子材料團隊與韓國漢陽大學(xué)以及韓國忠南大學(xué)的科研團隊共同合作，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》上。
“這項研究成果模擬了類似生物觸覺細胞的離子信號傳輸系統(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?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺⒅锌圃簩幉ú牧纤鶓?yīng)鄔彬副研究員介紹，非常有意義的是，它提出了一種同時恢復(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器人皮膚，尤其是應(yīng)用于可穿戴醫(yī)療領(lǐng)域中的人機接口。
受人類皮膚感知結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，國內(nèi)外科學(xué)家此前曾開發(fā)出若干種具有離子傳輸機制的離子皮膚，并應(yīng)用于遙控器、傳感器等機械設(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靜態(tài)和動態(tài)刺激的響應(yīng)能力，但容易受到持續(xù)磨損，引起意外機械損傷，導(dǎo)致功能中斷或設(shè)備壽命減少。
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年的市場規(guī)模為63億美元，市場預(yù)計年復(fù)合增長率為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)合團隊根據(jù)觸覺細胞的機械刺激響應(yīng)原理，模擬真實人體皮膚的自愈功能和生物離子信號傳遞機制，設(shè)計合成了一種含有動態(tài)二硫鍵功能基團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。
“動態(tài)二硫鍵具有鍵交換作用，哪怕在室溫下也可以進行。材料出現(xiàn)破損時，鍵交換作用會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，能夠有效提高即時電容和初始電容的差值，從而提高靈敏度。
“這項工作是之前‘仿真肌肉’工作的進階，更接近人體的感受機制，離柔性的人機接口更近了一步。”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隊曾開發(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制，而是用到電子傳輸機制。電子和人體的離子不匹配，在人體的應(yīng)用上有局限。
