寧波材料所在具有疼痛感知功能的仿生皮膚中取得進(jìn)展
在生物系統(tǒng)中，軟組織可以通過應(yīng)變增強(qiáng)有效地調(diào)節(jié)其機(jī)械強(qiáng)度以避免損傷。這些組織結(jié)合生物體的體感系統(tǒng)，可以經(jīng)歷從觸覺到痛覺的可控感覺閾值轉(zhuǎn)變，從而使得生物體能夠主動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。盡管傳統(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)主動感知仍然存在一定的挑戰(zhàn)。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。更重要的是，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，對人機(jī)交互中危險(xiǎn)的提前規(guī)避具有重要意義。
近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)陳濤研究員和肖鵬副研究員基于在碳基/高分子復(fù)合薄膜的構(gòu)筑及其柔性驅(qū)動與傳感方面的研究基礎(chǔ)（ACS Nano, 2019, 13, 4368; Nano Energy, 2019, 59, 422; Nature Commun., 2020, 11, 4359; Nano Energy, 2021, 81, 105617; Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2105323; Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2107281; Nano-Micro Lett.,2022, 14, 32; Nano-Micro Lett.,2022, 14, 62等），受生物軟組織應(yīng)變機(jī)械增強(qiáng)的啟發(fā)，提出了基于SPS效應(yīng)的仿生皮膚，實(shí)現(xiàn)從觸覺到痛覺感知的動態(tài)轉(zhuǎn)變。
本工作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)脊椎動物的神經(jīng)感覺系統(tǒng)具有相似的感知趨勢。在ECF中，石墨烯片層之間相互堆疊形成的動態(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和高于應(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。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)測肌腱的過度拉伸以及手背皮膚受到拉扯產(chǎn)生的痛覺。受河豚皮膚三維形變啟發(fā)，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)測三維氣動形變。不僅如此，還可以通過SPS效應(yīng)有效地檢測到處于過度膨脹狀態(tài)的三維形變，實(shí)現(xiàn)動態(tài)的痛覺感知。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。
該工作以題為“Biomimetic Skins Enable Strain-Perception-Strengthening Soft Morphing”發(fā)表在Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2201812。本研究得到了國家自然科學(xué)基金（52073295）、浙江（之江）實(shí)驗(yàn)室開放研究項(xiàng)目（No.2022MG0AB01）、國家自然科學(xué)基金委中德交流項(xiàng)目（M-0424）、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SLH036）、中國科學(xué)院國際合作局（174433KYSB20170061）及王寬誠國際交叉團(tuán)隊(duì)（GJTD-2019-13）等項(xiàng)目的資助。
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
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