多伦多大学刘新宇课题组与麦吉尔大学李剑宇课题组合作Materials Horizons : 可拉伸离子二极管凝胶助力新型仿生皮肤

研究背景                 

作为人体最大的器官，皮肤通常充当人体内部物理和湿度保护屏障，并控制着身体与外界的水分交换。同时皮肤中包含大量的神经感知单元可以用来感受诸如压力，形变，温度和湿度等来自外部环境的刺激。皮肤的这些功能是通过其内部相应的复杂结构来实现的。 例如，其高度抗形变的聚合物网络用于承受物理损伤；保湿物质如吡咯烷酮羧酸（pyrrolidone carboxylic acid) 用于锁水；多种感知神经元如力学感受器，温觉感受器及疼痛感受器，可将外部刺激转化成钾钠离子的移动和动作电位在神经细胞中的传递。皮肤的这些结构特征为我们设计新型可穿戴及生物医疗设备带来了新的启发。通过精巧地设计并组合相关电子元器件及弹性体材料，研究人员已成功开发出诸如电子皮肤 （electronic skin）等仿人体皮肤的电子设备。然而, 传统的电子设备主要以金属作为接口材料，以电子为载体进行信号传递，这种工作模式与生物体内如神经元细胞及以离子为载体的神经信号传递存在生物兼容性问题, 长期监测使用将会导致胶质细胞包裹于界面周围并阻碍信号的传递，而体内及体表的水分也会影响电子皮肤的长期正常使用。

近年来发展迅速的离子电子学（iontronics）领域有望突破这些瓶颈从而进一步推动电子皮肤的发展。目前离子型电子皮肤主要以水凝胶为基底材料构成诸如压力感应器、触控板等离子器件。这些离子器件能够将应力，应变或温度等外部激励转化成电阻或电压等电信号的变化。然而目前这些信号模式通常需要外接电源持续供电以满足实时监测的需求，因此影响其长期使用。为此，开发一款多功能且能自发电感应的离子传感器件显得尤为必要。同时，由于目前大部分离子型皮肤只能满足单一刺激的检测，而面对复杂的外部环境，迫切需要设计一款能同时感知多种刺激的类皮肤离子器件。此外，传统离子水凝胶皮肤在环境中如何防止脱水以维持稳定也亟待解决。

成果简介

基于上述问题，多伦多大学的科研人员联合麦吉尔大学共同研发了一款高透明、可拉伸离子二极管凝胶仿生皮肤【artificial ionic skin (AIskin)】，并于近日发表于材料学领域国际权威期刊Materials Horizons， 题为“An ambient-stable and stretchable ionic skin with multimodal sensation” [1]。不同于以往的离子水凝胶皮肤设计，本文首次将两层相反电性聚电解质掺杂的双层网络结构水凝胶利用紫外交联固化形成整体，从而在两层水凝胶交界面形成离子二极管结构，成功模拟了人体皮肤中神经元感知刺激的工作原理。通过添加醇类（本文采用乙二醇， Ethylene glycol），该AIskin解决了传统水凝胶为基底材料在环境中易失水而不能长期使用的痛点，能够保证其在各种环境湿度下正常工作。同时能够实现多模式感知变形、应力和环境湿度，并且利用其内建电势，无需外接电源即可实现对刺激的感知。 该设计有望应用于下一代可穿戴电子器件、人际交互系统、软体机器人技术的研发。

麦吉尔大学和多伦多大学联合培养博士生应斌斌为本文第一作者，多伦多大学副教授刘新宇、麦吉尔大学助理教授李剑宇为本文共同通讯作者。该研究受到了加拿大自然科学和工程研究理事会和加拿大创新基金会的资助。

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

文章亮点

1. 非对称参杂聚电解质于水凝胶中使得AIskin 具有离子二极管特性。

2. 优良的机械特性：断裂韧性>1,000 Jm^-2、拉伸性> 400%。

3.多模态检测：能将机械和化学激励转化成四种信号的变化，如电阻、电容、开路电压和短路电流等。其中开路电压和短路电流属于自发电信号。

4. 多功能：能检测应力、应变和湿度。

5. 光学透明度大于85%。

6. 环境稳定性：该仿生皮肤能在很广的相对湿度范围内（13%~85%）正常工作。

图文导读

图 1 AIskin 的设计思路及其器件表征

(A) 人体皮肤示意图。其能承受物理损伤，锁水以及在神经元中定向传递离子信号。

(B) AIskin的示意图。上层为参杂带正电聚电解质的可拉伸水凝胶，下层为参杂带负电聚电解质的可拉伸水凝胶。两破折号之间的区域代表界面上的耗尽区（depletion zone）。

(C) AIskin在水中浸泡30个小时后并没有发生明显的溶胀效应。

(D) AIskin 能被拉伸至少400%而不出现断裂。

(E) AIskin的整流效应。

(F) 3mm厚的AIskin的 光学透明度。

(G) AIskin在65%湿度下的整流效应随时间的稳定性。

图 2 AIskin基于不同信号模式下对应变的校准曲线。

(A) 电阻-应变曲线。

(B) 电容-应变曲线。

(C) 不同压缩应变下的开路电压输出曲线.

(D) 开路电压-应变曲线。

(E) 不同压缩应变下的短路电流输出曲线.

(F) 短路电流-应变曲线。

图 3 AIskin基于不同信号模式下对湿度的校准曲线

(A) 无外界应变情况下的 电阻-相对湿度曲线。

(B) 无外界应变情况下的 电容-相对湿度曲线。

(C) 不同压缩应变下的电容-相对湿度曲线

(D) 不同压缩应变下的电阻-相对湿度曲线

(E) 不同压缩应变下的短路电流-相对湿度曲线

(F) 不同压缩应变下的开路电压-相对湿度曲线。

图 4 AIskin 应用于可穿戴的应变/湿度传感及基于自发电信号驱动的人机交互。

(A) 佩戴在手指上的AIskin 应用于可穿戴的应变/湿度传感

(B) 不同湿度下电阻-弯曲角度曲线。

(C) 不同湿度下电容-弯曲角度曲线。

(D) 开路电压/短路电流-弯曲角度曲线。

(E) 触控板示意图：基于自发电信号驱动的贪食蛇的人机交互。

基于自发电信号实现人机互动 控制贪食蛇

图 5 AIskin 应用于步态能量收集

(A) 步态能量收集示意图。

(B) 正常行走时短路电流输出曲线

(C) 正常行走时开路电压输出曲线。 

小结

本研究开创性的将两相反电性聚电解质掺杂于同一双层网络结构水凝胶内从而实现了可拉伸离子二极管的结构特征，模拟了皮肤中感知神经元的刺激感应特性。通过加入乙二醇，该AIskin解决了传统水凝胶为基底材料在环境中易失水不能长期使用的痛点，能够保证其在各种环境湿度下正常工作。同时其能够实现多模式（电阻、电容、开路电压和短路电流）感知变形、应力和环境湿度，并且利用内建电势，无需外接电源即可实现刺激的感知。该设计有望应用于下一代可穿戴电子器件、人际交互系统、和软体机器人技术的研发。

文献链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/mh/c9mh00715f

本文由第一作者应斌斌博士撰写，感谢刘新宇副教授和印真博士的修改建议。

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