首页社会刚刚鲍哲南等人再发《Science》电子皮肤：离子弛豫动力学的人工多峰受体

刚刚鲍哲南等人再发《Science》电子皮肤：离子弛豫动力学的人工多峰受体

来源：生活好品牌时间：2020年11月21日 23:30

原标题：刚刚鲍哲南等人再发《Science》电子皮肤：离子弛豫动力学的人工多峰受体

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【前沿报道】

我们皮肤中受体的范围使我们可以在触摸物体时进行感应，并且还可以使我们大致了解该物体的温度。在人造皮肤样材料中实现这一点一直是一个挑战，因为大多数触摸感测方法本身都是温度敏感的。You等人研究了导电弹性膜中的离子弛豫动力学。他们表明，离子弛豫时间可以用作检测温度的不敏感应变的本征变量，而电容可以用作检测应变的不敏感温度的外在变量，从而将二者去耦，从而使它们的信号不会干扰彼此。

【科研摘要】

人体皮肤具有不同类型的触觉受体，可以将各种机械刺激与温度区分开。浦项科技大学Unyong Jeong和斯坦福大学优秀华人鲍哲楠教授团队提出了一种可变形的人工多峰离子受体，可以区分热和机械信息而没有信号干扰。从离子弛豫动力学的分析中得出了两个变量：电荷弛豫时间作为不敏感的固有变量来测量绝对温度，而归一化电容作为对温度不敏感的外部变量来衡量应变。具有简单电极-电解质-电极结构的人工受体可以通过仅在两个测量频率下测量变量来同时检测温度和应变。类似于人皮肤的多峰受体阵列，称为多峰离子电子皮肤（IEM-skin），可在各种触觉运动（剪切，收缩，张开，扭转等）中提供实时的力方向和应变曲线。相关论文Artificial multimodal receptors based on ion relaxation dynamics发表在11月《Science》上。

【图文解析】

人体皮肤体感系统的受体由离子导体组成，其操作基于离子动力学。真皮中大量热感受器和机械感受器在空间上分布。因此，在皮肤上的应变和温度的空间分布可以被独特地感知到（图1A）。离子受体的粘弹性变形能力在大剪切应变下保持稳定的电信号。此外，皱纹的形成是一种通过各种刺激（压力，剪切，挤压，扭转及其组合）可视化皮肤的三维（3D）变形的方式。例如，皱纹出现在皮肤的压缩区域，而另一侧的区域被拉伸（图1B）。温度感测对触觉和监测身体的生理变化很重要。由于3D变形会产生复杂的应力场，因此，对接触和应变的空间分布进行实时采集对于理解皮肤感觉系统的感知至关重要。

图1 AMI受体的概念。

作者探索了可变形离子导体的离子弛豫动力学，并制造了一种人工多峰离子受体（AMI受体）。在非法拉第离子导体中，离子的迁移和极化发生在施加的交流电（ac）场下。离子导体的电性能取决于测量频率。离子迁移或极化分别在低频或高频下占主导地位（图1C）。图1D显示了机械拉伸下Bode图的变化。整个阻抗曲线向下移动，因为来自R和C的阻抗会随着拉伸而减小。但是，由固有变量（σ，ϵ）组成的τ-1不会随着拉伸而变化，因为尺寸参数会相互抵消。图1E显示了加热条件下波特图的变化。R由于加热而向下移动，并且τ-1移至更高的频率。由于离子电导率的温度敏感性比介电常数高，因此平坦区域的降档远大于对角线区域的降档。图1F给出了热机械去耦的原理。弛豫时间可以用作对应变不敏感的固有变量，以检测温度而无需传感器的几何信息。

将离子导体1-乙基-3-甲基咪唑双（三氟甲基磺酰基）酰亚胺（EMIM TFSI）旋涂（厚度为5μm）在由Ag纳米线和热塑性嵌段共聚物，聚苯乙烯嵌段制成的可拉伸复合电极膜上-聚（乙烯丁烯-嵌段-聚苯乙烯（SEBS）。通过堆叠两个多层，将离子导体层夹在两个电极之间。由于薄的粘弹性层之间的保形接触，多层具有良好的粘附性。在20°C下测量具有各种离子浓度（1至50 wt％）的离子导体的波特图（图2A）。

图2 AMI受体的特性及其对加热和拉伸的响应。

作者将目标温度感应设置在体温（20°至50°C）附近。图2B给出了在各种温度下离子导体（5％重量）的波特图。图2C显示了σ的温度依赖性，和ϵ。σ的灵敏度是相对ϵ的100倍。图2D显示使用ln（τ）作为不敏感应变的变量来检测温度。在不同应变（ε= 0、30、50％）下测得的所有曲线均落入主曲线，表明τ不受尺寸变化的影响。图2E显示了使用C / Co作为对温度不敏感的外在应变的应变感应变量。在不同温度下，C / Co对单轴应变的所有曲线均落入主曲线；因此，可以从曲线拟合方程中计算出应变。通过多次测试证实了实时多峰传感，首先，我们将AMI受体附着在颈静脉上方的皮肤上并进行了监测，从而证实了C / Co对拉伸的响应在不同应变的重复拉伸过程中是可再现的（图2F）。饮酒前后的体温（图2G）。为了检查接触（压力）时的热机械解耦，将热的（45°C）玻璃棒反复压在AMI受体上，该受体放置在厚而柔软的弹性体上基板（图2H）。

作者用10×10 AMI受体阵列制作了多峰离子电子皮肤（IEM皮肤），并将其放在假人手上（图3，A和B）。离子导体膜被夹在图案化电极之间。通过在IEM皮肤和底部弹性体基底之间插入低摩擦界面来模拟薄皮肤的机械行为，以实现3D变形。通过在底部基板上摩擦二氧化硅粉（或婴儿粉）来制作界面。用硅粘合剂将IEM蒙皮的边缘和底部基板粘合在一起。接触点通过IEM皮肤中的温度曲线识别。当在IEM皮肤上施加剪应力时，接触点的前部会产生皱纹，而接触点的后部会被拉伸（图3C）。

图3 IEM蒙皮的结构和对单向剪切力的响应

作者将剪切分析扩展到了多种剪切运动（捏，张开，调整，剪切和触摸）（图4A）。对于每个运动，都会显示相应的IEM皮肤温度和应变曲线。扩展运动在同一条线上具有相反的剪切方向，并且应变分布在接触区域之间。调整运动显示了彼此相反的剪切方向。当剪切与触摸结合时，剪切方向和触摸都被检测到。对完全伸展区域上的附加接触的这种认识意味着，温度感测将在真实皮肤的触觉感知中发挥重要作用。在基于剪切的运动中，接触区域的数量等于或大于拉伸区域的数量。扭转会产生更复杂的应变场和皱纹。图4B显示了逆时针方向的扭转和相应的应变分析。温度曲线的接触区域投影在应变曲线中。