在寻求构建模仿天然皮肤感知能力的智能皮肤的过程中,离子皮肤已显示出显着的优势。它们由灵活的、生物相容的水凝胶制成,使用离子来携带电荷。与由塑料和金属制成的智能皮肤相比,水凝胶具有天然皮肤的柔软性。这为它们所安装的假肢或机器人手提供了更自然的感觉,并使它们佩戴舒适。
这些水凝胶在被触摸时会产生电压,但科学家们并不清楚如何——直到 UBC 的一组研究人员设计了一项独特的实验,该实验今天发表在《科学》杂志上。“水凝胶传感器的工作原理是它们产生电压和电流以对压力或触摸等刺激作出反应——我们称之为压电效应。但我们并不确切地知道这些电压是如何产生的,”该研究的主要作者Yuta Dobashi说,他在 UBC 攻读生物医学工程硕士学位时开始了这项工作。
在 UBC 研究员John Madden 博士的监督下,Dobashi 设计了水凝胶传感器,其中包含不同大小的正离子和负离子的盐。他和 UBC 物理和化学系的合作者应用磁场来精确跟踪当向传感器施加压力时离子是如何移动的。“当对凝胶施加压力时,该压力会以不同的速度分散液体中的离子,从而产生电信号。倾向于较小的正离子比较大的负离子移动得更快。这会导致离子分布不均匀,从而产生电场,这就是压电传感器工作的原因。”
研究人员表示,这一新知识证实了水凝胶的工作方式与人类检测压力的方式相似,这也是通过移动离子响应压力,激发了离子皮肤的潜在新应用。
“显而易见的应用是创建直接与细胞和神经系统相互作用的传感器,因为电压、电流和响应时间就像跨细胞膜的那些,”UBC 应用科学学院电气和计算机工程教授 Madden 博士说. “当我们将传感器连接到神经时,它会在神经中产生信号。反过来,神经激活肌肉收缩。”
“你可以想象一个覆盖着离子皮肤的假肢。皮肤通过触摸或压力感知物体,通过神经将信息传递给大脑,然后大脑激活提升或握住物体所需的马达。随着传感器皮肤和神经接口的进一步发展,这种仿生接口是可以想象的。”
另一个应用是佩戴在皮肤上的软水凝胶传感器,它可以监测患者的生命体征,同时完全不显眼并自行发电。目前正在多伦多大学完成博士学位的 Dobashi 渴望在毕业后继续研究离子技术。
“我们可以想象未来将果冻状的‘离子电子学’用于身体植入物。可以植入人工关节,不用担心在人体内排斥。离子设备可用作人工膝关节软骨的一部分,添加智能传感元件。例如,压电凝胶植入物可能会根据它感觉到的压力释放药物。”
Madden 博士补充说,2019 年智能皮肤市场估计为 45 亿美元,并且还在继续增长。“智能皮肤可以集成到衣服中或直接放在皮肤上,而离子皮肤是可以促进这种增长的技术之一。”
今天发表在《科学》杂志上的这项研究包括 UBC 化学博士研究生 Yael Petel 和 UBC 物理学教授 Carl Michal 的贡献,他们利用强磁场和离子的核自旋之间的相互作用来跟踪水凝胶内的离子运动。法国 CY Cergy 巴黎大学的 Cédric Plesse、Giao Nguyen 和 Frédéric Vidal 帮助开发了一种关于如何在水凝胶中产生电荷和电压的新理论。
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