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納米纖維結構加持！新型人造皮膚柔軟、不會疲勞，還能自我修復

文章來源：賢集網更新時間：2022-09-07 14:56:51

近年來，世界各地的機器人專家和材料科學家一直在嘗試創建類似于人體并重現其功能的人工系統。其中包括人造皮膚、保護層，這些保護層也可以增強機器人的感知能力。

中國東華大學和德國于利希中子科學中心 (JCNS) 的研究人員最近開發了一種新的、極具前景的人造離子皮膚，該皮膚基于一種類似于人類皮膚的自愈彈性納米網，是一種交織結構。在Nature Communications上發表的一篇論文中介紹了這種人造皮膚，它柔軟、不會疲勞，還能自我修復。

不會疲勞且可自我修復的混合離子皮膚，具有來自真實人體皮膚的仿生納米纖維結構。圖片來源：王等人。

“眾所周知，皮膚是人體最大的器官，它既是保護層又是感覺界面，以保持我們的身體健康和感知力，”研究人員孫盛說：“隨著人工智能和軟機器人技術的快速發展，研究人員目前正試圖給類人機器人披上一層‘人造皮膚’，這種‘人造皮膚’可以復制人類皮膚的所有機械和感官特性，這樣它們也能像我們一樣感知不斷變化的外部環境。”

由于人體皮膚是一個高度復雜和精密的系統，因此模仿其所有功能可能極具挑戰性。例如，人類皮膚可以通過接收基于離子的電子信號來感知各種環境變化，包括壓力、其表面變形和溫度變化。

人體皮膚感覺柔軟，但拉伸時會變得非常緊實，皮膚也可以在幾天內自然愈合傷口，完全修復其結構和功能。更重要的是，每年超過100萬次的變形循環伴隨著身體運動，皮膚的特性不會退化，這表明它具有非常好的抗疲勞特性。

盡管材料科學家最近設計了幾種人造皮膚，也稱為電子或離子皮膚，但這些系統中的大多數只能再現皮膚的一部分自然屬性。多年來，孫和他的同事一直在嘗試設計更多類似皮膚和逼真的材料。

“在進行研究時，我們注意到皮膚通過分層納米纖維結構結合了多種有趣的特性，這種結構由嵌入柔軟交織彈性蛋白基質中的堅硬膠原纖維支架定義，”孫說：“這兩個階段不僅在傷口上的真皮成纖維細胞的幫助下愈合，而且通過將損傷固定在硬膠原納米纖維上，賦予人體皮膚非常高的斷裂韌性。”

從皮膚的自然結構中汲取靈感，研究人員著手設計一種基于自愈納米網和離子基質的新型人造皮膚，可以分別復制膠原蛋白和彈性蛋白的功能。這導致了一種類似皮膚的材料，柔軟但在拉伸時變得堅硬，這種特性被稱為“應變硬化”。此外，它們的人造皮膚在受損后可以自主修復，抗疲勞，并對形狀變形做出快速響應，這對于傳感應用來說尤其理想。

“受皮膚可修復的納米纖維結構的啟發，我們通過將可自我修復的彈性納米網支架嵌入另一個可自我修復的軟離子基質中，創造了一種人造離子皮膚，”孫說：“納米網是通過靜電紡絲合成聚氨酯制成的，這種聚氨酯可以在室溫下通過二硫鍵交換進行自我修復。離子基質是通過蒸發聚（丙烯酰胺-共-丙烯酸）、透明質酸和 CaCl 2的水溶液制成的。，可以借助水分進行愈合。由于兩種母材的可愈合性，混合離子皮膚也可以在短時間內愈合損傷。

Sun和他的同事們創造的人造皮膚具有獨特的彈性和納米纖維結構，使其高度抗疲勞。更具體地說，其嵌入的聚氨酯納米纖維可以覆蓋較大的力傳遞長度，從而使裂縫變鈍并防止裂縫進一步擴展。

在初步評估中，人造皮膚系統取得了非常有希望的結果。研究小組發現，即使上面有一個預切槽口，混合離子在超過 10,000 次拉伸循環中仍然完好無損。混合離子皮膚的計算疲勞閾值約為 2,950 J m -2 ，幾乎是人體肌肉 (1,000 J m -2 )的兩倍。

“柔軟性和可拉伸性是類皮膚傳感材料最重要的兩個機械性能，”孫說：“然而，傳統的柔軟性和可拉伸性材料設計通常會導致低強度，這不利于離子皮膚的使用壽命。我們通過生產一種模擬人體皮膚可修復納米纖維結構的混合離子皮膚來解決這個問題。”

該研究小組創建的類皮膚系統是首批不僅柔軟且可拉伸，而且具有可靠的自我修復和抗疲勞功能的人造皮膚之一。未來，孫和他的同事提出的設計可用于基于其他材料組合創建其他堅固且離子傳導的結構。

此外，他們的人造皮膚系統可以幫助開發更耐疲勞、性能更好并且隨著時間推移不易損壞的類人機器人。盡管該團隊的離子皮膚迄今為止取得了顯著的成果，但它仍然存在一些明顯的局限性，Sun 和他的同事們最終希望能夠克服這些局限性。

“因為我們使用吸濕性水凝膠作為離子基質，環境穩定性相對較差，尤其是在水分變化的條件下，”孫補充道：“在非常干燥的環境條件下，離子基質會因失水而變硬，皮膚的自我修復能力也將難以實現。為了克服這個限制，我們現在有動力生產更堅固的離子皮膚，可以在低溫和高溫、水下、真空或存在腐蝕性物質等惡劣條件下可靠工作。這對于預計在比人類居住環境更復雜和多變的環境中運行的軟機器人非常有用。”

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