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新型电子皮肤让“死皮”重获感知

核心提示:近日,国际著名期刊Advanced Science报道了中国团队研发的一种电子皮肤。这种基于皮革的电子皮肤可应用于柔性压力传感器、信息显示器件和用户交互器件等,为开发具有模仿甚至超越真皮功能的多功能电子皮肤提供了新契机。

(基于皮革的电子皮肤设计原理示意图)

生命体总能进化出各种复杂、精细的结构来实现特定的功能,皮肤就是这类杰作中的代表之一,它不仅是人体的天然屏障,也是感知外界环境变化的门户。

但在生活中,人体不可避免地会受到外伤进而在不同程度上损坏皮肤,因此,人工皮肤在前期的肢体保护和后期的仿真修复过程中都具有重要的现实意义。

电子皮肤是一种模仿人体皮肤功能的人工皮肤。近日,国际著名期刊Advanced Science报道了中国团队研发的一种制备简单、可设计性强的皮革基底上的电子皮肤,它结合了皮革天然的复杂结构、穿戴的舒适性和纳米材料的多功能特性,使“死皮”重新具有感应能力。

中国科学院院士、西北工业大学常务副校长黄维,南京工业大学海外人才缓冲基地(先进材料研究院)副院长霍峰蔚和四川大学制革清洁技术国家工程实验室副研究员黄鑫为这篇研究论文的共同通讯作者。

记者在采访中获悉,这种基于皮革的电子皮肤可应用于柔性压力传感器、信息显示器件和用户交互器件等,为开发具有模仿甚至超越真皮功能的多功能电子皮肤提供了新契机。

让皮革有“触觉”

柔韧性是电子皮肤模拟人体皮肤的关键因素。但如何将接近人体皮肤的柔性材料变身为有“触觉”的电子皮肤,一直是国际科学技术前沿领域攻关的世界性难题。

黄维告诉记者,此前,美国斯坦福大学教授鲍哲南院士的研究团队就通过引入微结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜,使获得的电子皮肤具有前所未有的灵敏度和快速的响应时间。然而,虽然PDMS有良好的生物相容性,但却具有不透气的缺点,因此不适合长时间穿戴。

从动物皮肤获得的传统天然材料——皮革,拥有皮肤的复杂结构,成为电子皮肤的首选材料。美国西北大学罗杰斯和黄永刚两位院士领导的生物集成电子中心研究团队就使用PDMS作为黏合剂,将硅器件黏合在皮革上,但该团队仅将皮革作为简单的基底处理,却忽略了皮革结构和性能的优点。

“通过传统的鞣制工艺,可以使皮革恢复类似皮肤的柔性,但皮革的重要的感知能力仍未被真正开发。”黄维表示,皮革作为一种舒适的穿戴材料,继承了皮肤的精细结构,为提高器件性能和担载其他功能材料提供了结构和功能保障,具有制备高性能电子皮肤的潜能。

“将皮革与多样化、功能化的纳米材料相结合,可以使这一‘死了的皮肤’起死回生。”黄维表示,该团队将皮革与不同种类的功能性纳米材料(如酸化碳纳米管、银纳米线等)结合在一起,重新赋予皮革感应能力。

“在制备过程中,最首要的条件是调控皮革的导电性。”霍峰蔚向记者介绍,电子皮肤的主要功能就是在感知外部环境的刺激后,能够将刺激转换为模拟电子信号,其方式类似于真实皮肤中感觉神经的作用。

另外,功能材料用量不同,皮革的导电率也会随之变化。因此,通过调整功能材料的用量,还可以赋予皮革不同的功能,有目的地获得具有各种功能的电子皮肤。

霍峰蔚表示,由于皮革具有多层级结构、多孔性以及丰富的官能团,因此,皮革与酸化碳纳米管之间还存在物理和化学作用,使得酸化碳纳米管在皮革中具有良好的渗透性。

“该电子皮肤的制备过程简单、通用且可与传统的皮革工艺结合,从而有利于低成本的大规模生产。”黄鑫表示,通过将传统皮革制造与新兴纳米材料相结合,可在提高皮革附加值的同时有助于开发新型的可穿戴多功能电子皮肤。

将释放出更多功能

基于导电皮革,该交叉学科创新团队设计出一种可穿戴的高灵敏度压力传感器。霍峰蔚表示,将一片导电皮革和另一片具有叉指电极的皮革缝合,就可以制造出柔性且可穿戴的压力传感器。该压力传感器的传感机制是,利用外部压力刺激改变叉指电极与皮革中导电纳米材料的接触,从而获得与外部压力变化相对应的电流或电压信号,实现监测。

研究显示,压力传感器可迅捷地响应32.5毫克轻微羽毛的碰触,且响应时间仅40毫秒,具有快速响应的特点。基于皮革的电子皮肤表现出的这种对“轻触”的高灵敏感知,与真实皮肤的压力感应行为十分类似。由于皮革具有与生俱来的可穿戴性和可裁剪性,该器件还可以被制造成不同的形状,如腕带等。

除此之外,霍峰蔚介绍,将皮革独特的多层级结构与纳米材料的优异性能相结合,制备出的皮革电子皮肤可用于持续监测手腕脉搏。

手腕脉搏是动脉血压和心率的重要指标,也为医学诊断提供了大量有价值的信息。例如,一些心血管疾病在初始阶段并无症状,但可出现病理性脉搏。因此,通过腕脉连续监测人体动脉血压可以为疾病的诊断提供快速、无创的方法。

基于皮革的压力传感器表带可以精确地读出健康人的手腕脉冲,还可以清楚地收集手腕脉冲的典型特征,包括冲击波、潮汐波、舒张波等。这意味着,这种压力传感器可以识别手腕脉冲中微小的差异,有望用于医学监测。此外,基于皮革的压力传感器表带适合长期佩戴,不会像传统聚合物基底那样引起不适。

“这表明通过合理的设计,基于皮革的电子皮肤可以重新具有感知能力。”霍峰蔚说。导电皮革还可被用作显示器件的背电极,显著促进信息的可视化,有利于改善人们的交流沟通和生活方式。另外,基于皮革的显示器还可为用户交互式电子皮肤提供即时的视觉响应。

替代人体皮肤任重道远

目前,黄维团队研发的皮革电子皮肤还不能直接用于修复受损的人体皮肤,黄维坦言,人体皮肤是生命体经过千万年的进化而来,它具有复杂的组成和结构,目前的科技很难实现复原和替代。

霍峰蔚也表示,目前,该团队的研究使皮革具有了初步的压力感知功能,虽然引入发光材料实现了人类皮肤不具有的发光和显示功能,但是要想达到和超越皮肤一样的多种感知能力,还有很长的路要走。

“要制造可代替人体皮肤的电子皮肤,还需要多学科交叉和协同创新,如材料科学、化学制造、生命科学、电子科学和健康科技等。特别是,还需依靠新型智能材料的研究以及先进制造技术的发展。”霍峰蔚说。

“目前,我们研发的皮革电子皮肤可以作为传感器或者假肢材料实现对外界压力刺激的感知。”霍峰蔚表示,在未来的医疗领域,皮革电子皮肤还可作为穿戴类的电子设备等,实现医疗大数据的采集,同时也有望作为假肢材料帮助受损部位实现部分感知功能。

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