皮膚離子凝膠機械感受器
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-05
皮膚離子凝膠機械感受器的實例教程
電極層上的正負電荷吸引離子水凝膠層中相對較少的陽離子和陰離子。在外部壓力下，層間的接觸面積顯著增加。更多的離子被吸引到界面上，從而大大增加了電容。c）由離子水凝膠、導電織物、VHB彈性體和墊片組成的超電容離子凝膠壓力傳感皮膚的設計架構。
圖4，多重傳感陣列的應用。
a) 安裝在人類前臂上的一維觸控條，可以彈奏鋼琴。b) 在旋律播放過程中，觸摸條中七個通道的電容（ΔC/C0）的相對變化。c) 4 × 4 像素的 2D 計算器觸摸屏。d) 16 個像素的電容分布映射。e) 能夠識別測試圖案形狀的 2D 傳感陣列。f) 傳感陣列的電容分布映射。
圖5，柔軟仿生手的超靈敏觸摸皮膚。
a,b) 安裝在柔軟仿生手上的觸摸皮膚的實時多通道電容信號，對應于 a) 輕質螺母和 b）羽毛的加載和移除
。
c) 當網球在仿生手上滾動時，機器人皮膚的多通道電容信號。d) 當電容的相應變化超過閾值時，觸摸的單個手指或多個手指被編程為彎曲。e) 仿生手固定在工業機器人上的實驗裝置照片。f) 動態響應過程中觸摸皮膚的實時電容信號。
圖6，具有觸覺離子凝膠機械感受器的人在回路機器人系統。
a) 經橈動脈截肢者的照片，使用柔軟的假手與觸摸皮膚相結合，與蛋糕等易碎物體相互作用。b）在沒有觸覺反饋和單級反饋的情況下操作蛋糕時感覺假手的壓力響應的比較。c) 連續按壓蛋糕時的多級觸覺反饋。d) 展示感覺假手區分不同形狀物體（成熟番茄、亞急性楊桃和多刺菠蘿）的能力。
【總結】
作者提出了一種基于軟超電容離子水凝膠的觸覺皮膚，能夠為可穿戴電子設備和假肢機器人提供壓力感應。
展開 電極層上的正負電荷吸引離子水凝膠層中相對較少的陽離子和陰離子。在外部壓力下，層間的接觸面積顯著增加。更多的離子被吸引到界面上，從而大大增加了電容。c）由離子水凝膠、導電織物、VHB彈性體和墊片組成的超電容離子凝膠壓力傳感皮膚的設計架構。
圖4，多重傳感陣列的應用。
a) 安裝在人類前臂上的一維觸控條，可以彈奏鋼琴。b) 在旋律播放過程中，觸摸條中七個通道的電容（ΔC/C0）的相對變化。c) 4 × 4 像素的 2D 計算器觸摸屏。d) 16 個像素的電容分布映射。e) 能夠識別測試圖案形狀的 2D 傳感陣列。f) 傳感陣列的電容分布映射。
圖5，柔軟仿生手的超靈敏觸摸皮膚。
a,b) 安裝在柔軟仿生手上的觸摸皮膚的實時多通道電容信號，對應于 a) 輕質螺母和 b）羽毛的加載和移除
。
c) 當網球在仿生手上滾動時，機器人皮膚的多通道電容信號。d) 當電容的相應變化超過閾值時，觸摸的單個手指或多個手指被編程為彎曲。e) 仿生手固定在工業機器人上的實驗裝置照片。f) 動態響應過程中觸摸皮膚的實時電容信號。
圖6，具有觸覺離子凝膠機械感受器的人在回路機器人系統。
a) 經橈動脈截肢者的照片，使用柔軟的假手與觸摸皮膚相結合，與蛋糕等易碎物體相互作用。b）在沒有觸覺反饋和單級反饋的情況下操作蛋糕時感覺假手的壓力響應的比較。c) 連續按壓蛋糕時的多級觸覺反饋。d) 展示感覺假手區分不同形狀物體（成熟番茄、亞急性楊桃和多刺菠蘿）的能力。
【總結】
作者提出了一種基于軟超電容離子水凝膠的觸覺皮膚，能夠為可穿戴電子設備和假肢機器人提供壓力感應。
展開 【科研摘要】
具有感應能力的人造皮膚在可穿戴設備和軟機器人的應用中具有巨大潛力。受人類皮膚功能的啟發，包括通過電信號感應刺激和損傷指示的瘀傷，
最近，
香港中文大學（深圳）
朱世平加拿大工程院院士
/
張祺助理教授
團隊
合成了
一種離子傳導性和機械致變色有機水凝膠，并被證明是離子性皮膚（
I皮膚）。
由機械發色團交聯的膠束組成的凝膠具有機械堅固性，可拉伸性和變形持久性，并具有較小的滯后性，并且還顯示出良好的溶劑保留性。伸長和壓縮過程中相對電阻的變化表明靈敏度較高。
在大變形下觀察到從淺黃色到類似瘀青的藍紫色的光學變化。離子導電有機水凝膠（如I皮膚）通過模仿各種身體挫傷場景的動作附著在人體的不同部位，展示了
對機械刺激的成功感知和可視化。
該作品生動地展示了一種應變傳感器，具有可視化損傷和針對機械沖擊的損傷警告功能。
I形皮膚可以潛在地用于包括假肢設備，可穿戴電子設備和智能機器人的應用中。
相關論文以題為
Colorimetric Ionic Organohydrogels Mimicking Human Skin for Mechanical Stimuli Sensing and Injury Visualization
發表在《
ACS Appl. Mater. Interfaces
》上。
【主圖導讀】
圖
1.模仿皮膚的I皮膚的概念和設計。
（A）當真實皮膚受到機械沖擊時，會同時產生電信號和光信號。（B）通過顯示電學和光學變化感測機械刺激的I皮膚有機水凝膠的示意圖。NaCl，SP和EG分別用作電解質，機械生色團和助溶劑。
圖
2.
展開 而對于人類，皮膚作為人體最大的器官通常充當人體內部物理，溫度和濕度保護屏障，并控制著身體與外界的水分交換。同時皮膚中包含大量的神經感知單元可以用來感受諸如壓力，形變，溫度,濕度和疼痛等來自外部環境的刺激。皮膚的這些功能是通過其內部相應的復雜結構來實現的。例如，其高度抗形變的膠原蛋白和彈性纖維網絡用于承受物理變形；保濕物質如吡咯烷酮羧酸（pyrrolidone carboxylic acid) 用于鎖水；皮下脂肪細胞用于抵御寒冷；多種感知神經元如力學感受器，溫覺感受器及疼痛感受器，可將外部刺激轉化成鉀鈉離子的移動和動作電位在神經細胞中的傳遞。皮膚的這些結構特征為我們設計新型可拉伸電子帶來了啟發。通過精巧地設計并組合相關電子元器件及彈性體材料，研究人員已成功開發出諸如電子皮膚（electronic skin）等仿人體皮膚的電子設備，并在可穿戴電子，可穿戴康復機械人和軟體機器人等領域展現了巨大的應用前景。值得注意的，由于仿生皮膚和軟體機器人之間優異的機械性能匹配和功能互補，目前已有大量研究精力投入到開發適合集成到軟體機器人的可拉伸和可穿戴仿生電子皮膚，從而確保更安全，更智能的人機互動和環境適應性。
在這些傳感材料中，以離子水凝膠為代表的軟材料，由于其優異的生物兼容性，更加接近生物組織的機械和電學特性，近年來收到了大量關注。然而，目前離子水凝膠在低溫環境容易結冰而失去變形能力和導電性；同時，傳統離子水凝膠通常不具備良好的表面粘附能力， 從而影響其在可穿戴和軟體機械人等大變形應用場景中的使用；此外，傳統離子水凝膠在環境中易失水的問題也亟待解決。
圖1.
展開 人體皮膚是一種“智能”的多功能保護性感覺器官，它可以通過各種感知功能 (如機械感、溫度感、痛覺等) 將環境刺激轉化為電信號，這些電信號可以通過相關的神經通路轉換到大腦。近年來，水凝膠成為模擬人體皮膚的感知功能和保護功能的熱點材料。然而，對環境與水凝膠材料之間的界面相互作用的研究卻很少。為此，東華大學武培怡教授課題組開發了新一代的具有診療功能的水凝膠離子皮膚(Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2008020)。該離子皮膚具有仿生離子通道，可以將信號從非生物界面傳輸到生物界面。這一工作讓離子皮膚的功能從簡單的傳感診斷擴展到診斷治療層面。然而，我們仍然注意到大多數應用在皮膚創面上的輔料都具有較強的粘附性。在實際應用過程中，從傷口上剝離這些材料需要克服較強的粘附力，這很有可能對創面皮膚造成二次損傷。此外，真實皮膚能夠感知各種外界刺激并同時進行區分，但現有離子皮膚的感知功能大多數是一對一的，很難單憑一個響應系統區分不同的信號。因此，提升離子皮膚的靈敏度以實現多重信號區分能力，設計粘附力可強弱切換的智能離子皮膚以提高實際應用價值仍然具有挑戰性。
近日，東華大學武培怡教授研究團隊開發出一種基于天然大分子季胺化殼聚糖(QCS)的“智能粘附”聚電解質水凝膠材料(QAAH)。該水凝膠制備過程簡單，通過將QCS水溶液與丙烯酸單體以一定比例混合，70 °C下熱引發自由基聚合六個小時得到。QAAH具有溫敏性和pH刺激響應性，并集成生物相容性、導電性、粘附性、可拉伸性、自修復性多重功能。值得注意的是，該水凝膠的粘附性能具有溫度依賴性，可以通過體溫觸發相轉變實現皮膚強粘附，并通過降溫降低粘附性實現粘附力的強弱切換。
展開 
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【背景】
觸摸感應在機器人抓取和機器人輔助假肢的新興人機界面中發揮著核心作用。盡管軟導電聚合物的進步促進了各種壓力傳感器的產生，但由于其靈敏度有限、壓力范圍窄以及結構和制造工藝復雜，這些傳感器難以用作機器人和假肢的觸摸皮膚。
【摘要】
卡內基·梅隆大學
Carmel Majidi
【背景】
觸摸感應在機器人抓取和機器人輔助假肢的新興人機界面中發揮著核心作用。盡管軟導電聚合物的進步促進了各種壓力傳感器的產生，但由于其靈敏度有限、壓力范圍窄以及結構和制造工藝復雜，這些傳感器難以用作機器人和假肢的觸摸皮膚。
【摘要】
卡內基·梅隆大學
Carmel Majidi
人體皮膚是一種“智能”的多功能保護性感覺器官，它可以通過各種感知功能 (如機械感、溫度感、痛覺等) 將環境刺激轉化為電信號，這些電信號可以通過相關的神經通路轉換到大腦。近年來，水凝膠成為模擬人體皮膚的感知功能和保護功能的熱點材料。然而，對環境與水凝膠材料之間的界面相互作用的研究卻很少。為此，東華大學武培怡教授課題組開發了新一代的具有診療功能的水凝膠離子皮膚
【科研摘要】
具有感應能力的人造皮膚在可穿戴設備和軟機器人的應用中具有巨大潛力。受人類皮膚功能的啟發，包括通過電信號感應刺激和損傷指示的瘀傷，
最近，
香港中文大學（深圳）
朱世平加拿大工程院院士
/
張祺助理教授
團隊
合成了
一種離子傳導性和機械致變色有機水凝膠，并被證明是離子性皮膚（
I皮膚）。
由機械發色團交聯的膠束組成的凝膠具有機械堅固性
近年來，柔性傳感器在人體健康/運動監測、電子皮膚和人工智能等領域受到廣泛關注。作為柔性傳感器的材料需同時具備優異的力學性能（高強度、高延展性、高彈性）、感知性能（高靈敏度、寬應變響應范圍）、貼合性、低能耗、生物相容性、易大規模制備等特點。然而，對于如何實現柔性傳感器集上述多種性能于一體，目前仍面臨很大挑戰，使其在實際中的應用受阻。最近，青島大學材料科學與工程學院隋坤艷教授和美國馬里蘭大學帕克分?；瘜W與生物化學系聶志鴻教授
