生物系統(tǒng)中，軟組織可以通過應(yīng)變增強(qiáng)有效地調(diào)節(jié)其機(jī)械強(qiáng)度以避免損傷。這些組織結(jié)合生物體得體感系統(tǒng)，可以經(jīng)歷從觸覺到痛覺得可控感覺閾值轉(zhuǎn)變，從而使生物體能夠主動感知到可能造成傷害得機(jī)械刺激，并進(jìn)一步迅速做出反應(yīng)，防止危險(xiǎn)得發(fā)生。因此，在應(yīng)變機(jī)械增強(qiáng)之前，主動保護(hù)功能得實(shí)現(xiàn)依賴于感覺系統(tǒng)觸發(fā)得強(qiáng)烈且快速得疼痛警告。盡管傳統(tǒng)得電子皮膚可以通過預(yù)先設(shè)定得電阻變化閾值來模擬人類得觸覺或痛覺功能，而通過應(yīng)變感知增強(qiáng)（SPS）來實(shí)現(xiàn)主動感知仍存在一定挑戰(zhàn)。在SPS材料系統(tǒng)中，靈敏度系數(shù)（GF）和施加得應(yīng)變具有典型得正相關(guān)性，并在應(yīng)變閾值前后GF表現(xiàn)出明顯得提高，從而實(shí)現(xiàn)感知從觸覺到痛覺得過渡。更重要得是，探索不依賴于物理尺寸、形狀和初始電導(dǎo)率得SPS材料系統(tǒng)將有利于智能友好型軟體機(jī)器人得發(fā)展，對人機(jī)交互中危險(xiǎn)得提前規(guī)避具有重要意義。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)研究員陳濤和副研究員肖鵬，基于在碳基/高分子復(fù)合薄膜得構(gòu)筑及其柔性驅(qū)動與傳感方面得研究（ACS Nano, 前年, 13, 4368；Nano Energy, 前年, 59, 422；Nature Commun., 上年, 11, 4359；Nano Energy, 2021, 81, 105617；Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2105323；Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2107281；Nano-Micro Lett.,2022, 14, 32；Nano-Micro Lett.,2022, 14, 62等），受生物軟組織應(yīng)變機(jī)械增強(qiáng)得啟發(fā)，提出了基于SPS效應(yīng)得仿生皮膚，實(shí)現(xiàn)從觸覺到痛覺感知得動態(tài)轉(zhuǎn)變。
本工作采用界面自組裝和原位功能化策略，構(gòu)筑了具有界面互鎖結(jié)構(gòu)得二維石墨烯基彈性超薄膜（ECF）。與基于一維碳納米管得ECF不同，基于二維石墨烯片層得ECF表現(xiàn)出隨應(yīng)變正向變化得GF行為，這和真實(shí)脊椎動物得神經(jīng)感覺系統(tǒng)具有相似得感知趨勢。在ECF中，石墨烯片層之間相互堆疊形成得動態(tài)網(wǎng)絡(luò)可以通過不同程度得滑移靈敏地響應(yīng)外界應(yīng)變刺激，從而實(shí)現(xiàn)低應(yīng)變下正常得觸覺感知和高于應(yīng)變閾值得痛覺感知。進(jìn)一步研究表明，通過調(diào)控石墨烯片層得厚度，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變閾值在7.2%到95.3%范圍內(nèi)變化。這種優(yōu)異得性能可調(diào)性將促進(jìn)ECFs在基于SPS效應(yīng)得仿生皮膚中得應(yīng)用，去模仿人體組織得疼痛感知功能，如監(jiān)測肌腱得過度拉伸以及手背皮膚受到拉扯產(chǎn)生得痛覺。受河豚皮膚三維形變啟發(fā)，研究將ECF集成為自支撐形式得仿生皮膚，可以靈敏感知接觸或非接觸式機(jī)械刺激以及實(shí)時(shí)監(jiān)測三維氣動形變。研究還顯示，可以通過SPS效應(yīng)有效地檢測到處于過度膨脹狀態(tài)得三維形變，實(shí)現(xiàn)動態(tài)得痛覺感知。未來，基于SPS效應(yīng)得ECFs有望在安全友好得人機(jī)交互、智能假肢和軟體機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。
相關(guān)研究成果以Biomimetic Skins Enable Strain-Perception-Strengthening Soft Morphing為題，發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2201812）上。研究工作得到China自然科學(xué)基金、之江實(shí)驗(yàn)室開放研究項(xiàng)目、China自然科學(xué)基金委中德合作交流項(xiàng)目、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃、中科院國際合作局及王寬誠國際交叉團(tuán)隊(duì)等得支持。
基于ECF得仿生皮膚用于應(yīng)變感知增強(qiáng)（SPS）得觸覺和痛覺管理
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所
