陈涛在具有疼痛感知功能的仿生皮肤中取得进展 -

标题: 陈涛在具有疼痛感知功能的仿生皮肤中取得进展 [打印本页]

作者: yizhixia 时间: 2022-5-16 10:15
标题: 陈涛在具有疼痛感知功能的仿生皮肤中取得进展
在生物系统中，软组织可以通过应变增强有效地调节其机械强度以避免损伤。这些组织结合生物体的体感系统，可以经历从触觉到痛觉的可控感觉阈值转变，从而使得生物体能够主动感知到可能造成伤害的机械刺激，并进一步迅速做出反应，防止危险的发生。因此，在应变机械增强之前，主动保护功能的实现依赖于感觉系统触发的强烈且快速的疼痛警告。尽管传统的电子皮肤可以通过预先设定的电阻变化阈值来模拟人类的触觉或痛觉功能，但通过应变感知增强（SPS）来实现主动感知仍然存在一定的挑战。在SPS材料系统中，灵敏度系数（GF）和施加的应变具有典型的正相关性，并在应变阈值前后GF表现出明显的提高，从而实现感知从触觉到痛觉的过渡。更重要的是，探索不依赖于物理尺寸、形状和初始电导率的SPS材料系统将有利于智能友好型软体机器人的发展，对人机交互中危险的提前规避具有重要意义。
　　近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队陈涛研究员和肖鹏副研究员基于在碳基/高分子复合薄膜的构筑及其柔性驱动与传感方面的研究基础（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），受生物软组织应变机械增强的启发，提出了基于SPS效应的仿生皮肤，实现从触觉到痛觉感知的动态转变。

基于ECF的仿生皮肤用于应变感知增强（SPS）的触觉和痛觉管理

　　本工作采用界面自组装和原位功能化策略构筑了具有界面互锁结构的二维石墨烯基弹性超薄膜（ECF）。与基于一维碳纳米管的ECF不同，基于二维石墨烯片层的ECF表现出随应变正向变化的GF行为，这和真实脊椎动物的神经感觉系统具有相似的感知趋势。在ECF中，石墨烯片层之间相互堆叠形成的动态网络可以通过不同程度的滑移灵敏地响应外界应变刺激，从而实现低应变下正常的触觉感知和高于应变阈值的痛觉感知。进一步，通过调控石墨烯片层的厚度，可以实现应变阈值在7.2%到95.3%范围内变化。这种优异的性能可调性将大大促进ECFs在基于SPS效应的仿生皮肤中的应用，去模仿人体组织的疼痛感知功能，比如监测肌腱的过度拉伸以及手背皮肤受到拉扯产生的痛觉。受河豚皮肤三维形变启发，将ECF集成为自支撑形式的仿生皮肤，可以灵敏感知接触或非接触式机械刺激以及实时监测三维气动形变。不仅如此，还可以通过SPS效应有效地检测到处于过度膨胀状态的三维形变，实现动态的痛觉感知。未来，基于SPS效应的ECFs有望在安全友好的人机交互、智能假肢和软体机器人中得到广泛应用。
　　该工作以题为“Biomimetic Skins Enable Strain-Perception-Strengthening Soft Morphing”发表在Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2201812。本研究得到了国家自然科学基金（52073295）、浙江（之江）实验室开放研究项目（No.2022MG0AB01）、国家自然科学基金委中德交流项目（M-0424）、中科院前沿科学重点研究项目（QYZDB-SSW-SLH036）、中国科学院国际合作局（174433KYSB20170061）及王宽诚国际交叉团队（GJTD-2019-13）等项目的资助。
文章来源：宁波材料所
陈涛，博士，研究员，博士生导师。2006年毕业于浙江大学化学反应工程国家重点实验室，获得高分子化学与物理博士学位。先后于2006年到2007年在英国华威大学(University of Warwick)化学系及于2007年到2010年在美国杜克大学(Duke University)材料科学与工程系从事博士后研究；2010年到2012年，作为洪堡学者在德国德累斯顿工业大学(Technische Universität Dresden)化学系从事科研工作。加入中科院宁波材料所，组建智能高分子材料课题组。在Chemical Society Review, Progress Polymer Science, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Chemical Science, Chemistry of Materials, Small, Chemical Communications, ACS Appl. Mater. Interfaces, Journal of Materials Chemistry A-C, Polymer Chemistry, Scientific Report, Macromolecular Rapid Communications, Langmuir, Soft Matter, Advanced Materials Interfaces, Journal of Physical Chemistry B和Polymer等期刊上发表一作/通讯作者SCI学术论文70余篇，共发表SCI论文120余篇，引用1900余次，H因子为24，合作出版专著4本，申请15项国家发明专利，5项获得授权。

欢迎光临 (http://www.cailiaoquan.com/)