多倫多大學劉新宇課題組與麥吉爾大學李劍宇課題組合作Materials Horizons?: 可拉伸離子二極管凝膠助力新型仿生皮膚

研究背景 ? ? ? ? ? ? ? ??

作為人體最大的器官，皮膚通常充當人體內部物理和濕度保護屏障，并控制著身體與外界的水分交換。同時皮膚中包含大量的神經感知單元可以用來感受諸如壓力，形變，溫度和濕度等來自外部環境的刺激。皮膚的這些功能是通過其內部相應的復雜結構來實現的。 例如，其高度抗形變的聚合物網絡用于承受物理損傷；保濕物質如吡咯烷酮羧酸（pyrrolidone carboxylic acid) 用于鎖水；多種感知神經元如力學感受器，溫覺感受器及疼痛感受器，可將外部刺激轉化成鉀鈉離子的移動和動作電位在神經細胞中的傳遞。皮膚的這些結構特征為我們設計新型可穿戴及生物醫療設備帶來了新的啟發。通過精巧地設計并組合相關電子元器件及彈性體材料，研究人員已成功開發出諸如電子皮膚 （electronic skin）等仿人體皮膚的電子設備。然而,?傳統的電子設備主要以金屬作為接口材料，以電子為載體進行信號傳遞，這種工作模式與生物體內如神經元細胞及以離子為載體的神經信號傳遞存在生物兼容性問題,?長期監測使用將會導致膠質細胞包裹于界面周圍并阻礙信號的傳遞，而體內及體表的水分也會影響電子皮膚的長期正常使用。

近年來發展迅速的離子電子學（iontronics）領域有望突破這些瓶頸從而進一步推動電子皮膚的發展。目前離子型電子皮膚主要以水凝膠為基底材料構成諸如壓力感應器、觸控板等離子器件。這些離子器件能夠將應力，應變或溫度等外部激勵轉化成電阻或電壓等電信號的變化。然而目前這些信號模式通常需要外接電源持續供電以滿足實時監測的需求，因此影響其長期使用。為此，開發一款多功能且能自發電感應的離子傳感器件顯得尤為必要。同時，由于目前大部分離子型皮膚只能滿足單一刺激的檢測，而面對復雜的外部環境，迫切需要設計一款能同時感知多種刺激的類皮膚離子器件。此外，傳統離子水凝膠皮膚在環境中如何防止脫水以維持穩定也亟待解決。

成果簡介

基于上述問題，多倫多大學的科研人員聯合麥吉爾大學共同研發了一款高透明、可拉伸離子二極管凝膠仿生皮膚【artificial ionic skin (AIskin)】，并于近日發表于材料學領域國際權威期刊Materials Horizons， 題為“An ambient-stable and stretchable ionic skin with multimodal sensation” [1]。不同于以往的離子水凝膠皮膚設計，本文首次將兩層相反電性聚電解質摻雜的雙層網絡結構水凝膠利用紫外交聯固化形成整體，從而在兩層水凝膠交界面形成離子二極管結構，成功模擬了人體皮膚中神經元感知刺激的工作原理。通過添加醇類（本文采用乙二醇， Ethylene glycol），該AIskin解決了傳統水凝膠為基底材料在環境中易失水而不能長期使用的痛點，能夠保證其在各種環境濕度下正常工作。同時能夠實現多模式感知變形、應力和環境濕度，并且利用其內建電勢，無需外接電源即可實現對刺激的感知。 該設計有望應用于下一代可穿戴電子器件、人際交互系統、軟體機器人技術的研發。

麥吉爾大學和多倫多大學聯合培養博士生應斌斌為本文第一作者，多倫多大學副教授劉新宇、麥吉爾大學助理教授李劍宇為本文共同通訊作者。該研究受到了加拿大自然科學和工程研究理事會和加拿大創新基金會的資助。

[1] Ying, Binbin, et al. "An ambient-stable and stretchable ionic skin with multimodal sensation." Materials Horizons (2019).

文章亮點

1. 非對稱參雜聚電解質于水凝膠中使得AIskin 具有離子二極管特性。

2. 優良的機械特性：斷裂韌性>1,000 Jm^-2、拉伸性> 400%。

3.多模態檢測：能將機械和化學激勵轉化成四種信號的變化，如電阻、電容、開路電壓和短路電流等。其中開路電壓和短路電流屬于自發電信號。

4. 多功能：能檢測應力、應變和濕度。

5. 光學透明度大于85%。

6. 環境穩定性：該仿生皮膚能在很廣的相對濕度范圍內（13%~85%）正常工作。

圖文導讀

圖 1 AIskin 的設計思路及其器件表征

(A) 人體皮膚示意圖。其能承受物理損傷，鎖水以及在神經元中定向傳遞離子信號。

(B) AIskin的示意圖。上層為參雜帶正電聚電解質的可拉伸水凝膠，下層為參雜帶負電聚電解質的可拉伸水凝膠。兩破折號之間的區域代表界面上的耗盡區（depletion zone）。

(C) AIskin在水中浸泡30個小時后并沒有發生明顯的溶脹效應。

(D) AIskin 能被拉伸至少400%而不出現斷裂。

(E) AIskin的整流效應。

(F) 3mm厚的AIskin的 光學透明度。

(G) AIskin在65%濕度下的整流效應隨時間的穩定性。

圖 2 AIskin基于不同信號模式下對應變的校準曲線。

(A) 電阻-應變曲線。

(B) 電容-應變曲線。

(C) 不同壓縮應變下的開路電壓輸出曲線.

(D) 開路電壓-應變曲線。

(E) 不同壓縮應變下的短路電流輸出曲線.

(F) 短路電流-應變曲線。

圖 3 AIskin基于不同信號模式下對濕度的校準曲線

(A) 無外界應變情況下的 電阻-相對濕度曲線。

(B) 無外界應變情況下的 電容-相對濕度曲線。

(C) 不同壓縮應變下的電容-相對濕度曲線

(D) 不同壓縮應變下的電阻-相對濕度曲線

(E) 不同壓縮應變下的短路電流-相對濕度曲線

(F) 不同壓縮應變下的開路電壓-相對濕度曲線。

圖 4 AIskin 應用于可穿戴的應變/濕度傳感及基于自發電信號驅動的人機交互。

(A) 佩戴在手指上的AIskin 應用于可穿戴的應變/濕度傳感

(B) 不同濕度下電阻-彎曲角度曲線。

(C) 不同濕度下電容-彎曲角度曲線。

(D) 開路電壓/短路電流-彎曲角度曲線。

(E) 觸控板示意圖：基于自發電信號驅動的貪食蛇的人機交互。

基于自發電信號實現人機互動 控制貪食蛇

圖 5 AIskin 應用于步態能量收集

(A) 步態能量收集示意圖。

(B) 正常行走時短路電流輸出曲線

(C) 正常行走時開路電壓輸出曲線。?

小結

本研究開創性的將兩相反電性聚電解質摻雜于同一雙層網絡結構水凝膠內從而實現了可拉伸離子二極管的結構特征，模擬了皮膚中感知神經元的刺激感應特性。通過加入乙二醇，該AIskin解決了傳統水凝膠為基底材料在環境中易失水不能長期使用的痛點，能夠保證其在各種環境濕度下正常工作。同時其能夠實現多模式（電阻、電容、開路電壓和短路電流）感知變形、應力和環境濕度，并且利用內建電勢，無需外接電源即可實現刺激的感知。該設計有望應用于下一代可穿戴電子器件、人際交互系統、和軟體機器人技術的研發。

文獻鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/mh/c9mh00715f

本文由第一作者應斌斌博士撰寫，感謝劉新宇副教授和印真博士的修改建議。

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