科学探索|模拟天然皮肤感知能力 科学家揭示“离子皮肤”工作机理

在努力打造媲美真实皮肤的传感器这件事上,由具有生物相容性的柔性水凝胶制成的、利用离子传输电荷的“离子皮肤”(Ionic Skin)表现出了相当大的优势 。与由塑料和金属组成的传统“智能皮肤”传感器不同,水凝胶与真实皮肤一样柔软 。若在义肢或机械臂上推广开来,这项技术将赋予更舒适的佩戴感受和更自然的感官 。

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(图自:Kai Jacobson / UBC 应用科学学院)
此前我们已知晓这种水凝胶可在被触摸时产生电压,但一直不清楚背后的机理,直到不列颠哥伦比亚大学(UBC)的一支研究团队在 2022 年 4 月 28 日出版的《科学》杂志上给出了明确的解释 。
研究一作 Yuta Dobashi 表示,其在该校攻读生物医学工程硕士学位时开始了这项工作 。可知水凝胶传感器的工作原理,是它们可对压力或触摸等刺激给出电压和电流反应,我们称之为压电效应 。
而为了搞清背后的原理,他在 UBC 应用科学学院与计算机工程教授 John Madden 博士的指导下设计了一项独特的实验 。
首先是设计出包含不同大小的正离子和负离子盐的水凝胶传感器,然后携手该校物理与化学系的研究合著者们,通过部署磁场来精确追踪“当向传感器施加压力时”、离子是如何移动的 。

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结果发现,当对凝胶施加压力时,它会以不同的速度分散液体中的离子、从而产生电信号 。
有趣的是,与较大的负离子相比,较小的正离子的移动速度要更快一些 。这导致离子因分布不均匀而产生了电场,压电传感器的工作原理也是如此 。
研究人员称,这一新发现证实了水凝胶的工作方式与人体的压力感知异曲同工(也是通过移动离子来响应压力),从而启发了基于“离子皮肤”的潜在新应用 。
John Madden 博士补充道:最简单的应用场景,就是打造出与细胞和神经系统相互作用的传感器 。而且除了向神经传递信号,我们也可想象激活神经以控制肌肉的收缩 。

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研究人员用果冻甜点来演示离子是如何在水凝胶中移动的
假如用“离子皮肤”来包裹义肢,其皮肤便可通过触摸或压力来感知物体 。接着通过神经将信息传递给大脑,并由大脑来激活抓握或抬升物体所需的马达 。
目前正在多伦多大学攻读博士学位的 Yuta Dobashi,希望在毕业后继续研究离子技术 。相信随着皮肤传感器与神经接口技术的进一步发展,此类仿生应用也将迎来一波大爆发 。
或者我们可以制造可穿戴的软水凝胶传感器,以在不碍眼和自发电的情况下监测患者的生命体征 。作为参考,2019 年的智能皮肤市场规模在 45 亿美元左右、且还在持续增长的过程中 。
【科学探索|模拟天然皮肤感知能力 科学家揭示“离子皮肤”工作机理】有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《Science》期刊上,_本文原题是为《Piezoionic mechanoreceptors: Force-induced current generation in hydrogels》 。