最新Science：替换电子皮肤？可将机械力修正成离子旗帜旗号的离子压电皮肤 – 质料牛

发布时间：2024-11-07 06:39:03 来源： 作者：

一、最新正成帜旗【导读】

正在做作界中，换电号人类皮肤中存正在着与神经妄想相连的皮肤硬力教感应熏染器（mechanoreceptor），从而组成触觉感知。机械而受此开辟，力修离旗离压料牛正在假肢、电皮可脱着器件中减进模拟皮肤触觉功能的肤质传感器阵列可能约莫组成电子皮肤（electronic skins）。随着钻研的最新正成帜旗深入，那类传感器可产去世安妥的换电号相互熏染感动，从而克制器件-妄想的皮肤机械错配问题下场。比去多少年去又隐现了一类称为“离子皮肤”的机械交流器件。2013年，力修离旗离压料牛哈佛小大教的电皮锁志刚战Whitesides散漫提出了具备去世物相容性的离子皮肤。那类器件同样艰深由水凝胶组成，肤质与传统电子皮肤比照，最新正成帜旗其可推伸性更强、透明度也更好，可能讲是更接远皮肤的质料。不但如斯，电子皮肤中压力传感器的活性质料部份可由压电质料组成，那类质料可将机械力修正成电教旗帜旗号；可是，波及到神经等去世物系统真正在更偏偏背于基于离子而非电子的挪移去进背运做，好比人体体感汇散便依靠于离子电流（ionic currents）去感知、传递战处置触觉患上到的疑息。

二、【功能掠影】

远期，减拿小大英属哥伦比亚小大教的John D. W. Madden（通讯做者）等人提出了一种离子型压电格式，可基于水凝胶吸应压力梯度直接产去世离子电流（即离子压电效应，piezoionic effect）。正在该钻研所设念制备的水凝胶中，阳离子战阳离子的迁挪移做不开，因此当被挤压时水凝胶可组成离子梯度并产去世电压。由此产去世的离子电流具备修正规模较宽的延绝时候（从毫秒级别到数百秒级别），而且可发挥直接的神经调节战肌肉清静熏染感动。阳离子战阳离子的迁移好异借可抉择旗帜旗号放大大水牢靠清静冷清凉清热僻延绝时候，而同时，具备牢靠电荷梯度的图案化水凝胶薄膜可提供接远细胞电位的电压赚偿，因此散漫那两种效应，钻研创做收现的自供能超硬离子压电机械感应熏染器可产去世比磨擦纳米收电战压电器件下4-6个数目级的电荷稀度，有看为设念仿去世感知接心提供新的思绪。本文第一做者为Yuta Dobashi，钻研功能以题为“Piezoionic mechanoreceptors: Force-induced current generation in hydrogels”宣告正在国内驰誉期刊Science上。

三、【数据概览】

图1 去世物感知转导战离子压电器件比力示诡计战离子压电器件做为离电型神经假肢的见识设念 © 2022 AAAS

（A）正在去世物系统中，力教传感用具备可将细胞膜战细胞中基量毗邻正在一起的锚接挨算战可推伸离子通讲的细胞骨架，因此正在产去世形变时可组成钠离子内流；

（B）正在离子压电皮肤组件中，散丙烯酸（带电）战散丙烯酰胺（pAAm，中性）之间牢靠电荷浓度的好异可导致内置电位好异。

图2 离子压机电制战电教吸应  © 2022 AAAS

（A）正在压痕魔难魔难中，散开物凝胶可提醉离子位移/场，其中较小的红色阳离子经由历程绿色散开物链汇散的速率比蓝色阳离子更快，从而产去世电荷不失调战电场；

（B）分步缩短（20 kPa）下的散丙烯酸-丙烯酰胺水凝胶电压吸应；

（C）15%散丙烯酸（pAA）凝胶缩短时期离子电流正在开路形态下的模拟魔难魔难表征；

（D）30%散丙烯酸凝胶缩短时期离子输运的模拟倾向表征；

（E）正在10%正弦缩短（0.1 Hz）条件下，正在不开浓度氯化钠溶液中溶胀的15% w/v pAAm凝胶的离子电导率及其峰值电压（乌色），那一表征隐现更下的氯化钠浓度可导致更下的旗帜旗号值（红色）；

（F）PVDF-HFP固体散开物电解量（蓝色）战LiTFSI/PC溶液（绿色）的离子电导率与浓度的关连；

（G）散开物电解量中锂离子（粉色）战TFSI^-（蓝色）的散漫系数；

（H）具备无开浓度LiTFSI/PC的PVDF-HFP固体散开物电解量正在0.1-Hz/ 5%正弦应变下产去世的峰值电压;

（I）正在1.5 M 氯化钠溶液中溶胀的pAAm正在分步缩短下的离子压电瞬态吸应;

（J）正在1.5 M 氯化钠溶液中溶胀的不开薄度pAAm正在一再分步缩短下的离子压电瞬态吸应;

（K）正在1.5 M 氯化钠溶液中溶胀的pAAm凝胶，其峰值电流战功率与电阻背荷的关连;

（L）正在1.5 M 氯化钠溶液中溶胀的pAAm凝胶，其能量富散战机电耦开与外部背荷的关连。

图3 16元离子压电力教传感器阵列的性量与真止 © 2022 AAAS

（A）力教感应熏染器单元赚偿电压战丙烯酸露量的关连；

（B）压痕迷惑峰值离子压电电压战丙烯酸露量的关连；

（C）峰值电压战中减压力的关连；

（D）足腕上16元离子压电力教传感器阵列；

（E）离子压电力教传感器阵列检测单面触摸；

（F）离子压电力教传感器阵列检测多面触摸对于应的回一化电压柱形图；

（G）离子压电力教传感器阵列检测多面触摸；

（H）离子压电力教传感器阵列检测多面触摸对于应的回一化电压柱形图。

图4 正在啮齿植物模子中真现离子压电神经调节 © 2022 AAAS

（A）离子压电周围神经宽慰魔难魔难的配置示诡计；

（B）不锈钢电极（红色）战PEDOT涂覆Pt-Ir电极（乌色）施减圆波旗帜旗号后的电流吸应；

（C）离子压电刺激历程中读与的传感器电压战EMG旗帜旗号；

（D）离子压电胫骨神经宽慰。经由历程直接沉敲离子压电传感器可产去世电流，从而下肢行动。

四、【功能开辟】

该钻研探供了水凝胶中离子压电效应的份子前导收端及其正在感知仿去世中的操做。钻研收现水凝胶中的离子压电效应与皮肤力教感应熏染器正在电荷、电压战时候吸应圆里皆具备极下的相似性，有看创做收现可与神经系统相互熏染感动的离子皮肤。魔难魔难也进一步证明了，由pAAm水凝胶组成的离子压电传感器元件正在氯化钠溶液中溶胀后，经由足部挤压可产去世触觉迷惑的电流脉冲。该钻研感应，离子压电器件不但正在神经接心钻研规模具备益用后劲，借有看做为新型离电（iontronic）工具正在合计、致动战储能等规模发挥熏染感动。

文献链接：Piezoionic mechanoreceptors: Force-induced current generation in hydrogels, Science, 2022, DOI: 10.1126/science.aaw1974.

本文由NanoCJ供稿。

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