【科學(xué)網(wǎng)】仿生皮膚也會(huì)“痛”
基于ECF的仿生皮膚用于應(yīng)變感知增強(qiáng)（SPS）的觸覺和痛覺管理。（受訪者提供）
痛！你的中樞神經(jīng)系統(tǒng)向大腦傳來警告：快做出應(yīng)激反應(yīng)保護(hù)自己！
科研人員一直希望仿生皮膚也能像生物體的皮膚一樣，擁有感受疼痛的能力，進(jìn)而激發(fā)“皮膚”所在個(gè)體的自我保護(hù)反應(yīng)。
近日，受生物軟組織應(yīng)變機(jī)械增強(qiáng)的啟發(fā)，中科院寧波材料所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)基于在碳基/高分子復(fù)合薄膜的構(gòu)筑及其柔性驅(qū)動(dòng)與傳感方面的研究積累，提出了基于應(yīng)變感知增強(qiáng)（SPS）效應(yīng)的仿生皮膚，實(shí)現(xiàn)從觸覺到痛覺感知的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變。
相關(guān)成果以《具有疼痛感知功能的仿生皮膚》為題在線發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》雜志。
主動(dòng)感知更敏感
在生物系統(tǒng)中，軟組織可以通過應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)，有效調(diào)節(jié)其機(jī)械強(qiáng)度以避免損傷。傳統(tǒng)的電子皮膚可以通過預(yù)先設(shè)定的電阻變化閾值來模擬人類的觸覺或痛覺功能，但通過應(yīng)變感知增強(qiáng)（SPS）來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)感知仍然存在一定的挑戰(zhàn)。
“也就是說，目前對(duì)痛覺仿生皮膚較多的研究是壓力傳感，壓力達(dá)到設(shè)定閾值，即激發(fā)控制系統(tǒng)來進(jìn)行必要的預(yù)警或者行為響應(yīng)以應(yīng)對(duì)更大的壓力?！蔽恼碌谝蛔髡摺幉ú牧纤毖芯繂T肖鵬告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
而軟組織結(jié)合生物體的體感系統(tǒng)，可以在組織或者皮膚發(fā)生拉伸應(yīng)變時(shí)經(jīng)歷從觸覺到痛覺的可控感知閾值轉(zhuǎn)變，從而使得生物體能夠主動(dòng)感知到可能造成傷害的機(jī)械刺激，并進(jìn)一步迅速做出反應(yīng)，防止危險(xiǎn)的發(fā)生。
因此，在應(yīng)變機(jī)械增強(qiáng)之前，主動(dòng)保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)，依賴于感覺系統(tǒng)觸發(fā)的強(qiáng)烈且快速的疼痛警告。
肖鵬表示，在SPS材料系統(tǒng)中，靈敏度系數(shù)（GF）和施加的應(yīng)變具有典型的正相關(guān)性，并在應(yīng)變閾值前后GF表現(xiàn)出明顯的提高，從而實(shí)現(xiàn)感知從觸覺到痛覺的過渡。
“拉拉扯扯”的研究
在本次發(fā)表的成果中，作者用的是“拉扯”動(dòng)作展開研究。
他們采用界面自組裝和原位功能化策略，構(gòu)筑了具有界面互鎖結(jié)構(gòu)的二維石墨烯基彈性超薄膜（ECF）。
與基于一維碳納米管的ECF不同，基于二維石墨烯片層的ECF，表現(xiàn)出隨應(yīng)變正向變化的GF行為，這和真實(shí)脊椎動(dòng)物的神經(jīng)感覺系統(tǒng)具有相似的感知趨勢(shì)。
在ECF中，石墨烯片層之間相互堆疊形成的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，可以通過不同程度的滑移，靈敏地響應(yīng)外界應(yīng)變刺激，從而實(shí)現(xiàn)低應(yīng)變下正常的觸覺感知，以及高于應(yīng)變閾值的痛覺感知。
進(jìn)一步，通過調(diào)控石墨烯片層的厚度，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變閾值在7.2%到95.3%范圍內(nèi)變化。
“也就是說，利用ECF制造的仿生皮膚將更敏感，輕微的拉、扯，就可以激發(fā)痛覺感知，從而通知處理系統(tǒng)：在發(fā)生更大程度的拉扯刺激前主動(dòng)反應(yīng)，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)?！毙i解釋說，“并且激發(fā)痛覺感知的應(yīng)變閾值是可以根據(jù)需求調(diào)控的，這將有助于更復(fù)雜的功能管理?！?/font>
這種優(yōu)異的性能可調(diào)性，將大大促進(jìn)ECFs在基于SPS效應(yīng)的仿生皮膚中的應(yīng)用，去模仿人體組織的疼痛感知功能，比如監(jiān)測(cè)肌腱的過度拉伸，以及手背皮膚受到拉扯產(chǎn)生的痛覺。
像河豚一樣變變變
河豚“變身”長(zhǎng)出通體尖刺讓人印象深刻，研究人員同樣也受到了河豚皮膚三維形變的啟發(fā)。
研究人員將ECF集成為自支撐形式的仿生皮膚，可以靈敏感知接觸或非接觸式機(jī)械刺激，以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三維氣動(dòng)形變，進(jìn)而還可以通過SPS效應(yīng)有效地檢測(cè)到處于過度膨脹狀態(tài)的三維形變，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的痛覺感知。
作者認(rèn)為，探索不依賴于物理尺寸、形狀和初始電導(dǎo)率的SPS材料系統(tǒng)，將有利于智能友好型軟體機(jī)器人的發(fā)展，對(duì)人機(jī)交互中危險(xiǎn)的提前規(guī)避具有重要意義。未來，基于SPS效應(yīng)的ECFs有望在安全友好的人機(jī)交互、智能假肢和軟體機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。
當(dāng)然，目前的技術(shù)成果距離將仿生皮膚應(yīng)用于生物體還有很遙遠(yuǎn)的路程。肖鵬也表示：“我們將ECF制作成超薄膜，也是向人體皮膚的結(jié)構(gòu)靠近，未來的研究一定會(huì)實(shí)現(xiàn)更多真實(shí)皮膚的功能。”
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.202201812
?。ㄔ陌l(fā)布于2022年5月18日科學(xué)網(wǎng)）
【原文鏈接】https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/5/479155.shtm