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拉一拉扯一扯 仿生皮肤也会“痛”

来源:中国科学报 张楠 访问:150 时间:2022-06-29

  痛!你的中枢神经系统向大脑传来警告:快通过应激反应保护自己!

  科研人员一直希望仿生皮肤也能像生物体的皮肤一样,拥有感受疼痛的能力,进而激发“皮肤”所在个体的自我保护反应。

  受生物软组织应变机械增强的启发,中科院宁波材料技术与工程研究所(以下简称宁波材料所)智能高分子材料团队基于在碳基/高分子复合薄膜的构筑及其柔性驱动与传感方面的研究积累,提出了基于应变感知增强(SPS)效应的仿生皮肤,实现从触觉到痛觉感知的动态转变。相关成果近日在线发表于《先进功能材料》。

  主动感知更敏感

  在生物系统中,软组织可以通过应变增强来有效调节其机械强度以避免损伤。传统的电子皮肤可以通过预先设定的电阻变化阈值模拟人类的触觉或痛觉功能,但通过应变感知增强(SPS)实现主动感知仍存在一定的挑战。

  “目前对痛觉仿生皮肤的研究多集中在压力传感,压力达到设定阈值激发控制系统来进行必要的预警或者行为响应,以应对更大的压力。”论文第一作者、宁波材料所副研究员肖鹏告诉《中国科学报》。

  而软组织结合生物体的体感系统,可以在组织或者皮肤发生拉伸应变时经历从触觉到痛觉的可控感知阈值转变,从而使得生物体能够主动感知可能造成伤害的机械刺激,并迅速做出反应,防止危险发生。

  因此,在应变机械增强之前,主动保护功能的实现,依赖于感觉系统触发的强烈且快速的疼痛警告。

  肖鹏表示,在SPS材料系统中,灵敏度系数(GF)和施加的应变具有典型的正相关性,在达到应变阈值后GF表现出明显的提高,从而实现感知从触觉到痛觉的过渡。

  “拉拉扯扯”的研究

  在本次发表的成果中,作者用“拉扯”动作展开研究。

  他们采用界面自组装和原位功能化策略,构筑了具有界面互锁结构的二维石墨烯基弹性超薄膜(ECF)。

  与基于一维碳纳米管的ECF不同,基于二维石墨烯片层的ECF表现出随应变正向变化的GF行为,这和真实脊椎动物的神经感觉系统具有相似的感知趋势。

  在ECF中,石墨烯片层之间相互堆叠形成的动态网络可以通过不同程度的滑移,灵敏响应外界应变刺激,从而实现低应变下正常的触觉感知,以及高于应变阈值的痛觉感知。

  进一步,通过调控石墨烯片层的厚度,可以使应变阈值在7.2%到95.3%范围内变化。

  “也就是说,利用ECF制造的仿生皮肤将更敏感,轻微的拉、扯,就可以激发痛觉感知,从而通知处理系统在发生更大程度的拉扯刺激前主动反应,规避风险。”肖鹏解释说,“而且激发痛觉感知的应变阈值是可以根据需求调控的,这将有助于更复杂的功能管理。”

  这种优异的性能可调性,将大大促进ECFs在基于SPS效应的仿生皮肤中的应用,模仿人体组织的疼痛感知功能,比如监测肌腱的过度拉伸,以及手背皮肤受到拉扯产生的痛觉。

  像河豚一样“变身”

  河豚受到威胁会“变身”,通体长出尖刺。研究人员受河豚皮肤三维形变的启发,将ECF集成为自支撑形式的仿生皮肤,可以灵敏感知接触或非接触式机械刺激,以及实时监测三维气动形变,进而通过SPS效应有效检测到处于过度膨胀状态的三维形变,实现动态的痛觉感知。

  研究人员认为,探索不依赖于物理尺寸、形状和初始电导率的SPS材料系统,将有利于智能友好型软体机器人的发展,对人机交互中的危险规避具有重要意义。未来,基于SPS效应的ECFs有望在安全友好的人机交互、智能假肢和软体机器人中得到广泛应用。

  当然,目前的技术成果距离将仿生皮肤应用于生物体还很遥远。肖鹏表示:“我们将ECF制作成超薄膜,是向人体皮肤的结构靠近,它在未来一定有望实现更多真实皮肤的功能。”

  相关论文信息:https://doi.org/10.1002/adfm.202201812

  (原载于《中国科学报》 2022-06-29 第3版 领域)
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