Science：水凝胶！
奇物论
2022-05-18
人类的触觉感知依赖于软皮肤机械感受器，这种感受器与更软的神经组织进行复杂的接口。在先进的假肢、机器人和可穿戴设备中，模拟人类皮肤的传感器阵列的出现导致了基于弹性体的压阻式、电容式和驻极体传感器以及电子皮肤。这些传感器可以实现软交互，并可以克服传统电子设备固有的设备到组织的机械失配。在寻求构建模仿天然皮肤感知能力的智能皮肤的过程中，离子皮肤已展示出显著的优势。它们由灵活的、生物相容的水凝胶制成，这种水凝胶使用离子来携带电荷。与由塑料和金属制成的智能皮肤相比，水凝胶具有天然皮肤的柔软性。这为它们所安装的假肢或机器人手提供了更自然的感觉，并使它们佩戴起来更舒适。这些水凝胶在被触摸时会产生电压，但目前并不清楚这些电压是如何产生的。近日，加拿大英属哥伦比亚大学John D. W. Madden等人研究了可以将压力转换为离子电流的水凝胶，从而形成一种新型的压电皮肤。成果发表在Science上。
该方法补充了其他离子电子学方法，例如使用超级电容栅极和高导电水凝胶-导电聚合物混合物，从而在神经界面所需的低电压下实现大离子电荷交换。压电离子技术也可以提供类似的高电荷密度和低电压操作。就像它们的生物对应物一样，它们依赖于离子电流。与机械感受器不同的是，压电离子传感器通过压力驱动的离子通量来工作，机械感受器通过机械门控释放跨膜Donnan电位。这可以通过单极性离子流或单极性离子优先通过反离子穿过聚合物基体来实现，从而产生净电荷不平衡。为了探索这种效应的分子起源并研究在传感中的应用，研究人员设计了一个压痕实验，在该实验中测量凝胶变形和未变形部分之间的开路电压或短路电流。压痕类似于手指或其他物体压入皮肤的效果。对于含有丙烯酸 (AA) 和质子抗衡离子的基于丙烯酰胺 (AAm) 的带电共聚物，在施加20 kPa 的非常轻的压力下，这种在商业用途中无处不在的超吸收性和生物相容性水凝胶由于流动电位而产生数毫伏电压。当对凝胶施加压力时，该压力会以不同的速度分散液体中的离子，从而产生电信号。较小的正离子比相对较大的负离子移动得更快。这会导致离子分布不均匀，从而产生电场，这就是压电传感器工作的原因。
示意图
瞬态响应时间取决于聚合物含量，与聚合物含量较高的相比，较低的聚合物含量会产生更快的上升（1 秒）和衰减（15 秒）。聚合物含量减半会改变可压缩性，导致更大的相对应力松弛。这表明较低含量水凝胶的更快响应是由于水凝胶基质的渗透性更大，增加了携带质子的孔内流动，进而产生更快的上升。瞬态响应时间变化很大，从 0.2 mm厚度的 30 ms到 2 mm厚度的>10s，这类似于快速适应到超慢适应的人类机械感受器的响应范围（3 ms到 2 s）。
压电离子在电荷、电压和时间响应方面与机械感受器的相似性，促使研究人员探索创建可以与神经系统相互作用的压电电子皮肤。首先，研究人员在水凝胶上模拟人体细胞的跨膜电位。为了在水凝胶中产生静息电位类似物，研究人员将固定聚合物骨架电荷区域和不带电基质区域之间的边界构建到水凝胶中。由此产生的人造机械感受器由一个直径为 2 mm、高 2 mm的聚丙烯酸-嵌段-丙烯酰胺半球组成，该半球被用 0.1 M KCl 溶胀的聚丙烯酰胺平面包围，并形成一个 16 个可单独寻址的触摸传感器阵列，间距为 8 mm。轻轻的手指按压（约 100 克力）会产生大约 -10 mV 的电压变化，这些变化叠加在-50 mV的Donnan电位上。鉴于其机械顺应性和自供电特性，这种压电离子式皮肤可能适用于软机器人、医疗设备或可穿戴应用。研究人员展示了关节屈曲和伸展的压电检测，其顺应性使人感觉不到它的存在。通过加入可拉伸的封装层，它可以实现长达数天的操作和390多次的循环，这对于许多可穿戴应用来说已经足够了。由于许多合成水凝胶的生物惰性，也可以在可植入装置中使用压电离子。设备的简单性及其适应性强也是该设备的优点。研究人员还通过动脉模型演示了传感器检测模拟脑血管血流动力学的脉动流。除此之外，研究人员还通过小鼠模型进行了周围神经刺激，证明了自供电压电神经调节的可能性。
综上所述，压电离子提供了柔软、自供电和生物相容的传感解决方案。为了响应压力，它们可以被定制以产生广泛的瞬态信号时间范围，并在比压电和摩擦电器件低得多的电压下提供高得多的电荷。因此，压电离子非常适合神经接口的应用。压电离子设备是另一种离子电子工具，是系统的一部分，与自然一样，还包括计算、驱动和能量存储。Yuta Dobashi, et al., Piezoionic mechanoreceptors: Force-induced current generationin hydrogels. Science 2022.DOI:10.1126/science.aaw1974https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaw1974
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