皮膚離子凝膠機(jī)械感受器的案例
《AM》上交谷國(guó)迎：皮膚離子凝膠機(jī)械感受器用于軟機(jī)器、生理傳感和截肢假體
電極層上的正負(fù)電荷吸引離子水凝膠層中相對(duì)較少的陽(yáng)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(dǎo)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(shè)計(jì)架構(gòu)。
圖4，多重傳感陣列的應(yīng)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(gè)通道的電容（ΔC/C0）的相對(duì)變化。c) 4 × 4 像素的 2D 計(jì)算器觸摸屏。d) 16 個(gè)像素的電容分布映射。e) 能夠識(shí)別測(cè)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(shí)時(shí)多通道電容信號(hào)，對(duì)應(yīng)于 a) 輕質(zhì)螺母和 b）羽毛的加載和移除
。
c) 當(dāng)網(wǎng)球在仿生手上滾動(dòng)時(shí)，機(jī)器人皮膚的多通道電容信號(hào)。d) 當(dāng)電容的相應(yīng)變化超過閾值時(shí)，觸摸的單個(gè)手指或多個(gè)手指被編程為彎曲。e) 仿生手固定在工業(yè)機(jī)器人上的實(shí)驗(yàn)裝置照片。f) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中觸摸皮膚的實(shí)時(shí)電容信號(hào)。
圖6，具有觸覺離子凝膠機(jī)械感受器的人在回路機(jī)器人系統(tǒng)。
a) 經(jīng)橈動(dòng)脈截肢者的照片，使用柔軟的假手與觸摸皮膚相結(jié)合，與蛋糕等易碎物體相互作用。b）在沒有觸覺反饋和單級(jí)反饋的情況下操作蛋糕時(shí)感覺假手的壓力響應(yīng)的比較。c) 連續(xù)按壓蛋糕時(shí)的多級(jí)觸覺反饋。d) 展示感覺假手區(qū)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(jié)】
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?yàn)榭纱┐麟娮釉O(shè)備和假肢機(jī)器人提供壓力感應(yīng)。
展開 《AM》上交谷國(guó)迎：皮膚離子凝膠機(jī)械感受器用于軟機(jī)器、生理傳感和截肢假體
電極層上的正負(fù)電荷吸引離子水凝膠層中相對(duì)較少的陽(yáng)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(dǎo)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(shè)計(jì)架構(gòu)。
圖4，多重傳感陣列的應(yīng)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(gè)通道的電容（ΔC/C0）的相對(duì)變化。c) 4 × 4 像素的 2D 計(jì)算器觸摸屏。d) 16 個(gè)像素的電容分布映射。e) 能夠識(shí)別測(cè)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(shí)時(shí)多通道電容信號(hào)，對(duì)應(yīng)于 a) 輕質(zhì)螺母和 b）羽毛的加載和移除
。
c) 當(dāng)網(wǎng)球在仿生手上滾動(dòng)時(shí)，機(jī)器人皮膚的多通道電容信號(hào)。d) 當(dāng)電容的相應(yīng)變化超過閾值時(shí)，觸摸的單個(gè)手指或多個(gè)手指被編程為彎曲。e) 仿生手固定在工業(yè)機(jī)器人上的實(shí)驗(yàn)裝置照片。f) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中觸摸皮膚的實(shí)時(shí)電容信號(hào)。
圖6，具有觸覺離子凝膠機(jī)械感受器的人在回路機(jī)器人系統(tǒng)。
a) 經(jīng)橈動(dòng)脈截肢者的照片，使用柔軟的假手與觸摸皮膚相結(jié)合，與蛋糕等易碎物體相互作用。b）在沒有觸覺反饋和單級(jí)反饋的情況下操作蛋糕時(shí)感覺假手的壓力響應(yīng)的比較。c) 連續(xù)按壓蛋糕時(shí)的多級(jí)觸覺反饋。d) 展示感覺假手區(qū)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(jié)】
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?yàn)榭纱┐麟娮釉O(shè)備和假肢機(jī)器人提供壓力感應(yīng)。
展開 港中文朱世平院士/張祺：模擬人體皮膚的比色離子有機(jī)水凝膠，用于機(jī)械刺激感測(cè)和損傷可視化
【科研摘要】
具有感應(yīng)能力的人造皮膚在可穿戴設(shè)備和軟機(jī)器人的應(yīng)用中具有巨大潛力。受人類皮膚功能的啟發(fā)，包括通過電信號(hào)感應(yīng)刺激和損傷指示的瘀傷，
最近，
香港中文大學(xué)（深圳）
朱世平加拿大工程院院士
/
張祺助理教授
團(tuán)隊(duì)
合成了
一種離子傳導(dǎo)性和機(jī)械致變色有機(jī)水凝膠，并被證明是離子性皮膚（
I皮膚）。
由機(jī)械發(fā)色團(tuán)交聯(lián)的膠束組成的凝膠具有機(jī)械堅(jiān)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(zhǎng)和壓縮過程中相對(duì)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(lán)紫色的光學(xué)變化。離子導(dǎo)電有機(jī)水凝膠（如I皮膚）通過模仿各種身體挫傷場(chǎng)景的動(dòng)作附著在人體的不同部位，展示了
對(duì)機(jī)械刺激的成功感知和可視化。
該作品生動(dòng)地展示了一種應(yīng)變傳感器，具有可視化損傷和針對(duì)機(jī)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(shè)備，可穿戴電子設(shè)備和智能機(jī)器人的應(yīng)用中。
相關(guān)論文以題為
Colorimetric Ionic Organohydrogels Mimicking Human Skin for Mechanical Stimuli Sensing and Injury Visualization
發(fā)表在《
ACS Appl. Mater. Interfaces
》上。
【主圖導(dǎo)讀】
圖
1.模仿皮膚的I皮膚的概念和設(shè)計(jì)。
（A）當(dāng)真實(shí)皮膚受到機(jī)械沖擊時(shí)，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)和光信號(hào)。（B）通過顯示電學(xué)和光學(xué)變化感測(cè)機(jī)械刺激的I皮膚有機(jī)水凝膠的示意圖。NaCl，SP和EG分別用作電解質(zhì)，機(jī)械生色團(tuán)和助溶劑。
圖
2.
展開 多倫多大學(xué)劉新宇教授團(tuán)隊(duì)《AFM》：新型抗極寒粘貼離子導(dǎo)電水凝膠仿生皮膚助力可穿戴傳感和軟體機(jī)械人
而對(duì)于人類，皮膚作為人體最大的器官通常充當(dāng)人體內(nèi)部物理，溫度和濕度保護(hù)屏障，并控制著身體與外界的水分交換。同時(shí)皮膚中包含大量的神經(jīng)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(huán)境的刺激。皮膚的這些功能是通過其內(nèi)部相應(yīng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。例如，其高度抗形變的膠原蛋白和彈性纖維網(wǎng)絡(luò)用于承受物理變形；保濕物質(zhì)如吡咯烷酮羧酸（pyrrolidone carboxylic acid) 用于鎖水；皮下脂肪細(xì)胞用于抵御寒冷；多種感知神經(jīng)元如力學(xué)感受器，溫覺感受器及疼痛感受器，可將外部刺激轉(zhuǎn)化成鉀鈉離子的移動(dòng)和動(dòng)作電位在神經(jīng)細(xì)胞中的傳遞。皮膚的這些結(jié)構(gòu)特征為我們?cè)O(shè)計(jì)新型可拉伸電子帶來了啟發(fā)。通過精巧地設(shè)計(jì)并組合相關(guān)電子元器件及彈性體材料，研究人員已成功開發(fā)出諸如電子皮膚（electronic skin）等仿人體皮膚的電子設(shè)備，并在可穿戴電子，可穿戴康復(fù)機(jī)械人和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。值得注意的，由于仿生皮膚和軟體機(jī)器人之間優(yōu)異的機(jī)械性能匹配和功能互補(bǔ)，目前已有大量研究精力投入到開發(fā)適合集成到軟體機(jī)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(jī)互動(dòng)和環(huán)境適應(yīng)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(yōu)異的生物兼容性，更加接近生物組織的機(jī)械和電學(xué)特性，近年來收到了大量關(guān)注。然而，目前離子水凝膠在低溫環(huán)境容易結(jié)冰而失去變形能力和導(dǎo)電性；同時(shí)，傳統(tǒng)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(jī)械人等大變形應(yīng)用場(chǎng)景中的使用；此外，傳統(tǒng)離子水凝膠在環(huán)境中易失水的問題也亟待解決。
圖1.
展開 
東華大學(xué)武培怡教授團(tuán)隊(duì)《Small》:“智能粘附”的多功能水凝膠離子皮膚生物傳感器
人體皮膚是一種“智能”的多功能保護(hù)性感覺器官，它可以通過各種感知功能 (如機(jī)械感、溫度感、痛覺等) 將環(huán)境刺激轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這些電信號(hào)可以通過相關(guān)的神經(jīng)通路轉(zhuǎn)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(hù)功能的熱點(diǎn)材料。然而，對(duì)環(huán)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(xué)武培怡教授課題組開發(fā)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(hào)從非生物界面?zhèn)鬏數(shù)缴锝缑妗＿@一工作讓離子皮膚的功能從簡(jiǎn)單的傳感診斷擴(kuò)展到診斷治療層面。然而，我們?nèi)匀蛔⒁獾酱蠖鄶?shù)應(yīng)用在皮膚創(chuàng)面上的輔料都具有較強(qiáng)的粘附性。在實(shí)際應(yīng)用過程中，從傷口上剝離這些材料需要克服較強(qiáng)的粘附力，這很有可能對(duì)創(chuàng)面皮膚造成二次損傷。此外，真實(shí)皮膚能夠感知各種外界刺激并同時(shí)進(jìn)行區(qū)分，但現(xiàn)有離子皮膚的感知功能大多數(shù)是一對(duì)一的，很難單憑一個(gè)響應(yīng)系統(tǒng)區(qū)分不同的信號(hào)。因此，提升離子皮膚的靈敏度以實(shí)現(xiàn)多重信號(hào)區(qū)分能力，設(shè)計(jì)粘附力可強(qiáng)弱切換的智能離子皮膚以提高實(shí)際應(yīng)用價(jià)值仍然具有挑戰(zhàn)性。
近日，東華大學(xué)武培怡教授研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)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(zhì)水凝膠材料(QAAH)。該水凝膠制備過程簡(jiǎn)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(fā)自由基聚合六個(gè)小時(shí)得到。QAAH具有溫敏性和pH刺激響應(yīng)性，并集成生物相容性、導(dǎo)電性、粘附性、可拉伸性、自修復(fù)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(fā)相轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)皮膚強(qiáng)粘附，并通過降溫降低粘附性實(shí)現(xiàn)粘附力的強(qiáng)弱切換。
展開 青島大學(xué)隋坤艷課題組：一種基于海藻多糖超分子納米纖維水凝膠的離子皮膚傳感器
近年來，柔性傳感器在人體健康/運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、電子皮膚和人工智能等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。作為柔性傳感器的材料需同時(shí)具備優(yōu)異的力學(xué)性能（高強(qiáng)度、高延展性、高彈性）、感知性能（高靈敏度、寬應(yīng)變響應(yīng)范圍）、貼合性、低能耗、生物相容性、易大規(guī)模制備等特點(diǎn)。然而，對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)柔性傳感器集上述多種性能于一體，目前仍面臨很大挑戰(zhàn)，使其在實(shí)際中的應(yīng)用受阻。最近，青島大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院隋坤艷教授和美國(guó)馬里蘭大學(xué)帕克分校化學(xué)與生物化學(xué)系聶志鴻教授，受人體皮膚組成以及傳感原理的啟發(fā)，研發(fā)出一種基于海藻多糖超分子納米纖維水凝膠的離子皮膚傳感器。
該研究采用一價(jià)無機(jī)鹽(如NaCl)誘導(dǎo)半剛性海藻酸鈉（SA）分子自組裝形成基于多重氫鍵的超分子納米纖維網(wǎng)絡(luò)作為能量耗散網(wǎng)絡(luò)，聚丙烯酰胺（PAM）化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)依然作為支撐彈性網(wǎng)絡(luò)；與此同時(shí)，NaCl和SA亦可提供大量的導(dǎo)電離子賦予水凝膠高的導(dǎo)電性，從而實(shí)現(xiàn)水凝膠中力學(xué)網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)二者之間協(xié)同效應(yīng)機(jī)制的構(gòu)筑。基于此，該水凝膠從組成上和結(jié)構(gòu)上（SA納米纖維、PAM彈性網(wǎng)絡(luò)、NaCl）可模擬人體皮膚（膠原蛋白纖維、彈性纖維、無機(jī)鹽）。制備得到的水凝膠呈現(xiàn)出高透明度(99.6%)、高拉伸強(qiáng)度(0.75 MPa)、抗壓縮（汽車碾壓后立刻回彈）、高延展性(3120%)、高韌性（4.77 MJ m-3）、高應(yīng)變下依然保持高彈性等優(yōu)異性能。進(jìn)而應(yīng)用于離子傳感器，展現(xiàn)出高靈敏度、寬應(yīng)變響應(yīng)范圍(0.3%~1800%)、優(yōu)異的貼合性和穩(wěn)定性，并且可以在0.04V的低電壓下工作，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體從大幅度運(yùn)動(dòng)（四肢）到微小形變（發(fā)音、脈搏）等即時(shí)及穩(wěn)定檢測(cè)。
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