在尋求建立模仿自然皮膚傳感能力的智能皮膚的過程中，離子皮膚顯示出了顯著的優(yōu)勢。它們由柔韌的生物相容性水凝膠制成，與塑料和金屬制成的智能皮膚相比，水凝膠具有天然皮膚的柔軟性。這為安裝它們的假肢或機(jī)器人手提供了更自然的感覺，并使它們佩戴舒適。
這些水凝膠在被觸摸時可以產(chǎn)生電壓，但科學(xué)家們并不清楚如何產(chǎn)生電壓——直到不列顛哥倫比亞大學(xué)的一組研究人員設(shè)計了一個獨特的實驗。
“水凝膠傳感器的工作原理是，它們對壓力或觸摸等刺激做出反應(yīng)，產(chǎn)生電壓和電流——我們稱之為壓電效應(yīng)，”該研究的主要作者森英士·多巴希說，他在UBC大學(xué)攻讀生物醫(yī)學(xué)工程碩士學(xué)位時開始了這項工作�！拔覀儾恢肋@些電壓是如何產(chǎn)生的�！�
在UBC研究人員約翰·麥登博士的指導(dǎo)下，Dobashi設(shè)計了水凝膠傳感器，其中含有不同大小的正負(fù)離子鹽。他和UBC大學(xué)物理系和化學(xué)系的合作者應(yīng)用磁場來精確跟蹤當(dāng)壓力施加到傳感器上時離子是如何運動的。
“當(dāng)對凝膠施加壓力時，它會以不同的速度將液體中的離子分散開，從而產(chǎn)生電信號，”Dobashi說。往往較小的正離子比較大的負(fù)離子移動得快。這會導(dǎo)致不均勻的離子分布，從而產(chǎn)生電場，這就是壓電傳感器的工作原理。”
這項研究的主要作者，森英士·多巴西，作為他在UBC大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程碩士學(xué)位的一部分，開始了這項工作。
研究人員表示，這一新知識證實了水凝膠的工作方式與人類檢測壓力的方式類似，也是通過移動離子來響應(yīng)壓力，激發(fā)了離子皮膚的潛在新應(yīng)用。
研究人員使用果凍甜點來演示離子如何在水凝膠中運動。
“明顯的應(yīng)用是創(chuàng)造直接與細(xì)胞和神經(jīng)系統(tǒng)互動的傳感器，因為電壓、電流和響應(yīng)時間就像細(xì)胞膜上的一樣，”UBC應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的電子和計算機(jī)工程教授馬登博士說。“當(dāng)我們將傳感器連接到神經(jīng)時，它會在神經(jīng)中產(chǎn)生信號。反過來，神經(jīng)激活肌肉收縮。
“你可以想象一個覆蓋著離子皮膚的假肢。皮膚通過觸摸或壓力感知物體，通過神經(jīng)將信息傳遞給大腦，然后大腦激活舉起或握住物體所需的電機(jī)。隨著傳感器皮膚和與神經(jīng)接口的進(jìn)一步發(fā)展，這種仿生接口是可以想象的�！�
另一個應(yīng)用是佩戴在皮膚上的柔軟水凝膠傳感器，它可以監(jiān)測患者的生命體征，同時完全不引人注目，并產(chǎn)生自己的能量。
“我們可以想象未來膠狀‘離子電子學(xué)’被用于人體植入，”馬登說�！翱梢灾踩肴斯りP(guān)節(jié)，不用擔(dān)心人體內(nèi)部的排斥。離子設(shè)備可以作為人工膝關(guān)節(jié)軟骨的一部分，增加一個智能傳感元件。例如，壓電離子凝膠植入物可能會根據(jù)它感應(yīng)到的壓力釋放藥物�！�
他補(bǔ)充說，智能皮膚的市場估計為45億美元，并且還在繼續(xù)增長。
“智能皮膚可以集成到衣服中，也可以直接放在皮膚上，離子皮膚是可以進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)之一。”
