【導讀】一段軟質材料被刀割破，室溫條件下放置一小時后，經測試，其力學性能可恢復至原始狀態的91%……近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所生物基高分子材料團隊與韓國漢陽大學以及韓國忠南大學的科研團隊共同合作，開發出一種“超靈敏且可自我修復的離子皮膚”。相關論文在線發表于《自然·通訊》。
一段軟質材料被刀割破，室溫條件下放置一小時后，經測試，其力學性能可恢復至原始狀態的91%……近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所生物基高分子材料團隊與韓國漢陽大學以及韓國忠南大學的科研團隊共同合作，開發出一種“超靈敏且可自我修復的離子皮膚”。相關論文在線發表于《自然·通訊》。
“這項研究成果模擬了類似生物觸覺細胞的離子信號傳輸系統，根據力的變化控制離子導體內部的離子分布，最大限度地提高觸覺感知。”論文通訊作者、中科院寧波材料所應鄔彬副研究員介紹，非常有意義的是，它提出了一種同時恢復傷口和觸覺功能的離子皮膚技術的新概念，可用于人類義肢皮膚或者機器人皮膚，尤其是應用于可穿戴醫療領域中的人機接口。
受人類皮膚感知結構的啟發，國內外科學家此前曾開發出若干種具有離子傳輸機制的離子皮膚，并應用于遙控器、傳感器等機械設備。相關材料雖然具有高抗干擾性、出色的空間分辨率以及對靜態和動態刺激的響應能力，但容易受到持續磨損，引起意外機械損傷，導致功能中斷或設備壽命減少。
離子皮膚的設計概念設計：由離子動力學產生的動作電位刺激和動態二硫鍵的鍵交換效應模擬人體皮膚的外力感知和自愈合功能 科研團隊供圖
是否可以參照人類皮膚，賦予離子皮膚自我修復能力，從而確保相應設備的穩定性和使用壽命？
應鄔彬介紹，電子皮膚2021年的市場規模為63億美元，市場預計年復合增長率為21.1%。離子皮膚是電子皮膚的下一代產品，目前還處于研發階段。
此次研究中，聯合團隊根據觸覺細胞的機械刺激響應原理，模擬真實人體皮膚的自愈功能和生物離子信號傳遞機制，設計合成了一種含有動態二硫鍵功能基團和氯取代基的新型熱塑性聚氨酯材料。
在此基礎上，他們以離子液體作為信號傳輸介質，填充入這一熱塑性聚氨酯材料后，開發出了新型的離子導體，并以銀納米線為柔性電極，聚氨酯為封裝材料，組裝成目標離子皮膚。
“動態二硫鍵具有鍵交換作用，哪怕在室溫下也可以進行。材料出現破損時，鍵交換作用會拉近分子鏈的距離并讓其重新堆疊在一起，宏觀上也就表現出自愈合的現象，靈敏的觸覺功能也可以隨著傷口愈合而恢復。” 應鄔彬介紹，通過機械刺激改變氯取代基與離子液體之間可逆的離子偶極相互作用，能夠有效提高即時電容和初始電容的差值，從而提高靈敏度。
“這項工作是之前‘仿真肌肉’工作的進階，更接近人體的感受機制，離柔性的人機接口更近了一步。”應鄔彬介紹。
此前，中科院寧波材料所生物基高分子材料團隊曾開發過一種新型聚氨酯（DA-PU）材料，即“仿真肌肉”，適合用作可拉伸電子產品的彈性基體，可確保電子器件在復雜環境下仍能穩定工作。不過，“仿真肌肉”沒有用到離子傳輸機制，而是用到電子傳輸機制。電子和人體的離子不匹配，在人體的應用上有局限。
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