離子皮膚，讓仿真人形機器離我們更近一步

在好萊塢科幻大片里面，我們總能看到極其逼真的人形機器人（圖1）。他們不僅行為模式像人，還擁有跟人類相似的形體與皮膚。

不知道你有沒有這樣的感覺：電影中的機器人的行為模式以及外觀越像人類，科技含量也就越高。這是為什么呢？

因為生命是大自然最復雜最精密的“機器”，僅僅人類的皮膚就具有多種特性，例如自愈合性、機械刺激響應、彈性好等等（圖2），能夠模擬人類也是科技進步的象征。

圖2 人類皮膚的自愈合性能與機械刺激響應

那么，機器人的“皮膚”也可以跟人類皮膚一樣具有觸覺嗎？觸覺細胞的響應原理早已引起了研究者的關注，國內外科學家此前曾開發出若干種基于此原理具有離子傳輸機制的離子皮膚。但是由于持續磨損或者機械損傷，導致此類“皮膚”性能逐漸下降。我們是否可以賦予離子皮膚自我修復性能，讓它像真正的皮膚一樣，既可以感受外界應力又可以自愈合呢？

中國科學院寧波材料技術與工程研究所生物基高分子材料團隊根據觸覺細胞的機械刺激響應原理，模擬真實人體皮膚的自愈功能和生物離子信號傳遞機制，設計合成了一種含有動態二硫鍵功能基團和氯取代基的新型熱塑性聚氨酯材料。圖3是基于這種聚氨酯制備的離子皮膚示意圖。聚氨酯中含有的動態二硫鍵一直在進行可逆的動態鍵合，無需額外的能量即可使傷口在室溫下也能快速自主自愈。在光學顯微鏡下對離子皮膚傷口進行觀察（圖4），無論是從正面還是從側面看，離子皮膚在受傷一小時后，傷口近乎完全愈合。其觸覺反饋也可以隨著傷口的愈合而恢復至最初的狀態。

圖3 模擬人體皮膚的離子皮膚示意圖以及刺激響應原理示意圖

圖4 離子皮膚傷口自愈合的光學顯微鏡圖

與此同時，引入的氯取代基電負性較大，與離子液體間具有可逆的離子偶極相互作用，結合離子液體，開發出Iontronic離子皮膚（圖3）。通過機械刺激可改變氯取代基與離子液體之間可逆的離子偶極相互作用。當離子皮膚不受力時，材料會吸引抓取離子液體，當按壓離子皮膚時，材料會釋放離子液體，改變其電學性能（圖5），這使超靈敏觸覺感知成為可能。

圖5 離子皮膚在按壓前后電學性能的變化

這項研究模擬了類似生物觸覺細胞的離子信號傳輸系統，根據力的變化控制離子導體內部的離子分布，最大限度地提高觸覺感知。非常有意義的是，它提出了一種同時恢復傷口和觸覺功能的離子皮膚技術的新概念。可以預見的是，此類研究在機器人皮膚和可穿戴醫療領域中將大有作為。

來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所