作者:沈春蕾 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/6/13 21:05:59
选择字号:
两周2篇《科学》!她的团队研制出能自愈的皮肤

 

相隔两周时间,她的团队最近连发了两篇Science论文。这在她的学术生涯中,并不是一件新鲜事儿。

仅2020年以来,她的团队就先后发表了5篇Science论文,4篇Nature论文。2022年3月,她的团队更是在两天内连发Nature和Science论文。(上述统计数据来自期刊官网)

她就是鲍哲南,现任美国斯坦福大学化学工程系主任。在2016年,她创立斯坦福大学可穿戴电子中心并任主任,同年当选为美国国家工程院院士;2017年当选为美国国家发明家学会会士,并获得联合国教科文组织“世界杰出女科学家奖”;2021年当选为中国科学院外籍院士、美国艺术与科学院院士。

回到最新的两篇论文,都是关于电子皮肤的突破:前者为可以模拟人类触觉的电子皮肤,北京时间5月19日在Science发表;后者为可自愈多层电子皮肤,北京时间6月2日在Science发表。

在介绍自己的成果时,鲍哲南向《中国科学报》表示:“希望我们能够制造出类似于人类皮肤的电子产品,不仅能够感知、反应,还能快速自我修复。”

图片

图片

鲍哲南团队接连2篇Science论文

仿生皮肤可以自动愈合

人类皮肤很特别,不仅可以感知温度、压力、材质等,还能被拉伸和回弹,帮助在身体与细菌、病毒、毒素、紫外线辐射等有害物之间形成一道天然的保护屏障。这也是鲍哲南等科学家热衷于仿生皮肤研究的原因之一。

当皮肤不小心被割破时,皮肤的每层都会有选择地自行愈合,最终恢复原来状态。“分层在模仿皮肤的研究中至关重要。”鲍哲南介绍,“在最新的这项研究中,我们第一次演示并实现了多层材料的选择性自愈。即使损坏导致材料层次的错位,它们也会在自愈过程中自动对齐。

鲍哲南团队不仅模仿人类皮肤研制出多层材料合成的柔性皮肤,而且每层都非常薄,达到微米以下(10层的厚度比一张纸还薄)。其中的每一层材料都被设计了不同的感知能力,分别感知压力、温度、张力,等等。

那么,为什么每层仿生皮肤都可以像人类皮肤那样,实现自动愈合呢?

秘密在于材料。通过反复尝试,鲍哲南团队使用了两种动态聚合物,其具有类似橡胶的机械性能以及生物相容性,并且可以与纳米或微颗粒混合,以实现导电性。虽然两种动态聚合物具有不混溶的骨架,却具有相同的动态键,可以保持层间粘附,同时在愈合过程中实现自主重新排列。

图片

鲍哲南 图源:斯坦福大学网站

持续10多年的研究

2012年,鲍哲南团队率先报道了第一个多层自愈合成电子皮肤。随后,全世界的研究团队纷纷开始关注多层合成皮肤的研究。

此前,合成皮肤必须由人类手动重新调整,如果各层出现轻微错位,就可能影响功能恢复。这些年来,鲍哲南团队一直在尝试破解此难题,自从采用了上述动态聚合物材料后,合成皮肤在愈合过程中,各层可以自我识别实现对齐,而且,在愈合中还可以逐层恢复功能。

鲍哲南认为,就像动物进化出具备自我修复能力的多感官皮肤组织一样,这些功能对于下一代的机器人和电子设备将大有裨益。

已有的研究发现,柔软且可随意变形的器件能让其与柔性曲面基底紧密结合在一起,但柔软的器件也更易于被锐利物体所损伤。“电子器件大多由多种材料组成,因此选择具有自我修复能力的材料非常重要,可以有效提高设备的稳定性和耐用性。”鲍哲南告诉《中国科学报》。

“要设计出一对黏度相近,并且在同样温度下能进行自我修复的不混溶聚合物,确实颇具挑战。”鲍哲南自豪地说,“我们团队不仅做到了,同时还设计出可以直观展示自我对齐的实验过程,进而证明了我们的假设和提出的机制。参与同行评审的专家都对我们的研究结果给予肯定。”

出色论文的标志是什么

如果在聚合物层中添加一些磁性材料,结果会如何?带着这样的好奇心,鲍哲南团队与斯坦福大学助理教授赵芮可(Renee Zhao)所在室验室开展了交叉合作。

图片

赵芮可 图源:斯坦福大学网站

赵芮可课题组在研究中负责磁驱动引导材料自组装与材料的动态运动控制。

在研究中,材料的机械参数调节和材料在磁场控制下的运动需要多次尝试,鲍哲南说,“我们两个课题组直接的紧密合作是实验成功的关键。”

实验结果发现,在聚合物层中添加磁性材料,不仅可以使合成皮肤愈合,而且可以从单独的碎片中自我组装。“结合磁场引导和感应加热,我们也许能够构建可重新配置的软机器人,这些机器人可以改变形状,并按需感知其变形。” 赵芮可说。

 

软机器人自我组装

“我们平时主要通过探索各种刺激响应材料,开发出仿生或者生物模拟的软体机器人系统,这些材料对热、光、磁场、压力等可以产生较大的形状变化。”鲍哲南进一步解释道,“我们运用像折纸一样的变形结构,通过刺激响应材料驱动的结构变形来实现机器人的运动。”

她还透露:“我们可以采用这些技术概念来开发毫米级别的软机器人,用于医疗应用,特别是微创手术。”

一篇出色论文的标志,在于它能开辟出未来更多的研究方向。鲍哲南认为:“这篇论文是一个概念性的验证,我们可以在许多方面进一步扩展这项工作。比如,探索不同的聚合物化学性质,制作出各种功能性复合材料,并利用这种方法设计出更复杂的多层自修复的设备。” 

相关论文信息:

https://doi.org/10.1126/science.adh0619

(原标题:两周2篇Science!鲍哲南团队研制出这类皮肤,受伤能自愈)

 
特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
中国科学家首次发现“无摩擦的冰” 冰表面长啥样?原子级分辨图像揭晓答案
北方中纬高频雷达网发布首批科学探测结果 “双星计划”:开启中国空间科学新纪元
>>更多
 
一周新闻排行
 
编辑部推荐博文