在尋求建立模仿自然皮膚傳感能力的智能皮膚的過(guò)程中，離子皮膚顯示出了顯著的優(yōu)勢(shì)。它們由柔韌的生物相容性水凝膠制成，與塑料和金屬制成的智能皮膚相比，水凝膠具有天然皮膚的柔軟性。這為安裝它們的假肢或機(jī)器人手提供了更自然的感覺(jué)，并使它們佩戴舒適。
這些水凝膠在被觸摸時(shí)可以產(chǎn)生電壓，但科學(xué)家們并不清楚如何產(chǎn)生電壓——直到不列顛哥倫比亞大學(xué)的一組研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)。
“水凝膠傳感器的工作原理是，它們對(duì)壓力或觸摸等刺激做出反應(yīng)，產(chǎn)生電壓和電流——我們稱之為壓電效應(yīng)，”該研究的主要作者森英士·多巴希說(shuō)，他在UBC大學(xué)攻讀生物醫(yī)學(xué)工程碩士學(xué)位時(shí)開(kāi)始了這項(xiàng)工作。“我們不知道這些電壓是如何產(chǎn)生的。”
在UBC研究人員約翰·麥登博士的指導(dǎo)下，Dobashi設(shè)計(jì)了水凝膠傳感器，其中含有不同大小的正負(fù)離子鹽。他和UBC大學(xué)物理系和化學(xué)系的合作者應(yīng)用磁場(chǎng)來(lái)精確跟蹤當(dāng)壓力施加到傳感器上時(shí)離子是如何運(yùn)動(dòng)的。
“當(dāng)對(duì)凝膠施加壓力時(shí)，它會(huì)以不同的速度將液體中的離子分散開(kāi)，從而產(chǎn)生電信號(hào)，”Dobashi說(shuō)。往往較小的正離子比較大的負(fù)離子移動(dòng)得快。這會(huì)導(dǎo)致不均勻的離子分布，從而產(chǎn)生電場(chǎng)，這就是壓電傳感器的工作原理。”
這項(xiàng)研究的主要作者，森英士·多巴西，作為他在UBC大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程碩士學(xué)位的一部分，開(kāi)始了這項(xiàng)工作。
研究人員表示，這一新知識(shí)證實(shí)了水凝膠的工作方式與人類(lèi)檢測(cè)壓力的方式類(lèi)似，也是通過(guò)移動(dòng)離子來(lái)響應(yīng)壓力，激發(fā)了離子皮膚的潛在新應(yīng)用。
研究人員使用果凍甜點(diǎn)來(lái)演示離子如何在水凝膠中運(yùn)動(dòng)。
“明顯的應(yīng)用是創(chuàng)造直接與細(xì)胞和神經(jīng)系統(tǒng)互動(dòng)的傳感器，因?yàn)殡妷骸㈦娏骱晚憫?yīng)時(shí)間就像細(xì)胞膜上的一樣，”UBC應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的電子和計(jì)算機(jī)工程教授馬登博士說(shuō)。“當(dāng)我們將傳感器連接到神經(jīng)時(shí)，它會(huì)在神經(jīng)中產(chǎn)生信號(hào)。反過(guò)來(lái)，神經(jīng)激活肌肉收縮。
“你可以想象一個(gè)覆蓋著離子皮膚的假肢。皮膚通過(guò)觸摸或壓力感知物體，通過(guò)神經(jīng)將信息傳遞給大腦，然后大腦激活舉起或握住物體所需的電機(jī)。隨著傳感器皮膚和與神經(jīng)接口的進(jìn)一步發(fā)展，這種仿生接口是可以想象的。”
另一個(gè)應(yīng)用是佩戴在皮膚上的柔軟水凝膠傳感器，它可以監(jiān)測(cè)患者的生命體征，同時(shí)完全不引人注目，并產(chǎn)生自己的能量。
“我們可以想象未來(lái)膠狀‘離子電子學(xué)’被用于人體植入，”馬登說(shuō)。“可以植入人工關(guān)節(jié)，不用擔(dān)心人體內(nèi)部的排斥。離子設(shè)備可以作為人工膝關(guān)節(jié)軟骨的一部分，增加一個(gè)智能傳感元件。例如，壓電離子凝膠植入物可能會(huì)根據(jù)它感應(yīng)到的壓力釋放藥物。”
他補(bǔ)充說(shuō)，智能皮膚的市場(chǎng)估計(jì)為45億美元，并且還在繼續(xù)增長(zhǎng)。
“智能皮膚可以集成到衣服中，也可以直接放在皮膚上，離子皮膚是可以進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)之一。”
