具有疼痛感知功能的仿生皮膚研究獲進(jìn)展

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)合生物體的體感系統(tǒng)，可以經(jīng)歷從觸覺到痛覺的可控感覺閾值轉(zhuǎn)變，從而使生物體能夠主動感知到可能造成傷害的機(jī)械刺激，并進(jìn)一步迅速做出反應(yīng)，防止危險的發(fā)生。因此，在應(yīng)變機(jī)械增強(qiáng)之前，主動保護(hù)功能的實現(xiàn)依賴于感覺系統(tǒng)觸發(fā)的強(qiáng)烈且快速的疼痛警告。盡管傳統(tǒng)的電子皮膚可以通過預(yù)先設(shè)定的電阻變化閾值來模擬人類的觸覺或痛覺功能，而通過應(yīng)變感知增強(qiáng)（SPS）來實現(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）和施加的應(yīng)變具有典型的正相關(guān)性，并在應(yīng)變閾值前后GF表現(xiàn)出明顯的提高，從而實現(xiàn)感知從觸覺到痛覺的過渡。更重要的是，探索不依賴于物理尺寸、形狀和初始電導(dǎo)率的SPS材料系統(tǒng)將有利于智能友好型軟體機(jī)器人的發(fā)展，對人機(jī)交互中危險的提前規(guī)避具

基于在碳基/高分子復(fù)合薄膜的構(gòu)筑及其柔性驅(qū)動與傳感方面的研究（ACS Nano, 2019, 13, 4368；Nano Energy, 2019, 59, 422；Nature Commun., 2020, 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)的啟發(fā)，提出了基于SPS效應(yīng)的仿生皮膚，實現(xiàn)從觸覺到痛覺感知的動態(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)的二維石墨烯基彈性超薄膜（ECF）。與基于一維碳納米管的ECF不同，基于二維石墨烯片層的ECF表現(xiàn)出隨應(yīng)變正向變化的GF行為，這和真實脊椎動物的神經(jīng)感覺系統(tǒng)具有相似的感知趨勢。在ECF中，石墨烯片層之間相互堆疊形成的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)可以通過不同程度的滑移靈敏地響應(yīng)外界應(yīng)變刺激，從而實現(xiàn)低應(yīng)變下正常的觸覺感知和高于應(yīng)變閾值的痛覺感知。進(jìn)一步研究表明，通過調(diào)控石墨烯片層的厚度，可以實現(xiàn)應(yīng)變閾值在7.2%到95.3%范圍內(nèi)變化。這種優(yōu)異的性能可調(diào)性將促進(jìn)ECFs在基于SPS效應(yīng)的仿生皮膚中的應(yīng)用，去模仿人體組織的疼痛感知功能，如監(jiān)測肌腱的過度拉伸以及手背皮膚受到拉扯產(chǎn)生的痛覺。受河豚皮膚三維形變啟發(fā)，研究將ECF集成為自支撐形式的仿生皮膚，可以靈敏感知接觸或非接觸式機(jī)械刺激以及實時監(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)的三維形變，實現(xiàn)動態(tài)的痛覺感知。未來，基于SPS效應(yīng)的ECFs有望在安全友好的人機(jī)交互、智能假肢和軟體機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。 

基于ECF的仿生皮膚用于應(yīng)變感知增強(qiáng)（SPS）的觸覺和痛覺管理