作者:张楠 来源:中国科学报 发布时间:2022/5/18 16:27:14
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仿生皮肤也会“痛”

 

 基于ECF的仿生皮肤用于应变感知增强(SPS)的触觉和痛觉管理(受访者提供)

痛!你的中枢神经系统向大脑传来警告:快做出应激反应保护自己!

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。

近日,受生物软组织应变机械增强的启发,中科院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。

相关成果以《具有疼痛感知功能的仿生皮肤》为题在线发表于《先进功能材料》杂志。

主动感知更敏感

在生物系统中,软组织可以通过应变增强,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来模拟人类的触觉或痛觉功能,但通过应变感知增强(SPS)来实现主动感知仍然存在一定的挑战。

“也就是说,目前对痛觉仿生皮肤较多的研究是压力传感,压力达到设定阈值,即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。”文章第一作者、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到可能造成伤害的机械刺激,并进一步迅速做出反应,防止危险的发生。

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,并在应变阈值前后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,作者用的是“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,灵敏地响应外界应变刺激,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,可以实现应变阈值在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,“并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,去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。

像河豚一样变变变

河豚“变身”长出通体尖刺让人印象深刻,研究人员同样也受到了河豚皮肤三维形变的启发。

研究人员将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,进而还可以通过SPS效应有效地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。

作者认为,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,对人机交互中危险的提前规避具有重要意义。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有很遥远的路程。肖鹏也表示:“我们将ECF制作成超薄膜,也是向人体皮肤的结构靠近,未来的研究一定会实现更多真实皮肤的功能。”

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

 
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