离子皮肤：让义肢也能有触感更灵敏

出品：科普中国

作者：潘宝海 应邬彬（中国科学院宁波材料技术与工程研究所）

监制：中国科普博览

自2010年起，每年的8月11日被定为全国“肢残人活动日”。随着社会各界对肢残人群体的关心与重视，科学家们也在不断以科研行动助力肢残人群体的日常生活。

对于肢残人群体而言，基础材料对他们的康复、日常起居至关重要。中国基础科学不断发展，中国科学家们也已经在义肢离子皮肤仿生材料上取得了许多研究成果。

今天，就让我们一起来认识中国科学家们在义肢离子皮肤仿生材料上所进行的不竭探索吧！

（图片来源：veer图库）

拿得起放得下：大脑与手掌间的握力反馈机制

让我们回想一下，我们平时是怎么样拿取玻璃杯的呢？我们的大脑首先会给出一个指令，让我们伸出手去接触玻璃杯，摸到玻璃杯以后，大脑下令握紧玻璃杯。这个时候，手掌会反馈一个信号给大脑，告诉大脑接触的松紧，当大脑觉得松紧程度足够拿起玻璃杯时，就会下令拿起杯子来。

手掌握起玻璃杯

（图片来源：veer图库）

想象一下，如果我们的手掌没有这样的反馈机制，大脑完全不知道我们用了多大的力，会发生什么？

一种相对来说比较好的结果就是握得不紧以至于拿不起玻璃杯来，或者浪费了很多非必要的力气拿起了杯子。那如果我们手掌用的力气太大，是不是有可能捏碎玻璃杯呢？这个时候肯定有小伙伴认为，什么人会不知道自己用了多大力气啊？谁会捏碎玻璃杯啊？这个问题完全不存在啊！

我们换一个角度想一下，如果这只手不是真人手臂，而是机器人手臂或者假肢呢？失去了对力的反馈，大脑又该如何调整力的大小呢？在这种情况下，力的反馈机制是不是就显得尤为重要了呢？

倘若想要让义肢或者机器人拥有这样的反馈机制，我们需要怎么做呢？我们能不能从生物身上学到一些技术呢？

（图片来源：veer图库）

灵感源于自身：离子皮肤的“四步走”

其实人的身体本身就是一个很好的例子，我们可以模拟人体的反馈机制，去设计义肢的接触反馈机制。**科学家们使用导线代替神经来传导压力信号，将相应的信号传入到代替大脑的CPU中。**可是问题还未被完全解决——我们该用什么来探测这个压力信号呢？又该怎么做呢？

人类皮肤上有很多感应细胞，当他们受到压力的时候，细胞内的离子通道会发生变化，导致内外的钾离子与钠离子浓度发生变化，从而探测到外界的力。如果我们做一种仿生的人工皮肤来模拟人体皮肤，这可行吗？答案是可行的，但是成果不是一簇而就的。

总体上来说，中国科学家将研究工作分为了四步。第一步是模拟人体皮肤基础的功能，就是感知外界的力；第二步是提高感应的灵敏度，让那些微小的力都逃不过机器的探测；第三步是简化生产工艺，让这种人工离子皮肤的生产过程更加容易，工艺条件更加可控；第四步是赋予离子皮肤更多的功能，比如像人体皮肤一样可以自愈合，或者可植入体内，或者对温度也拥有良好的感知等功能。

（图片来源：veer图库）

迈出第一步：模拟人体皮肤的基础功能

第一步需要完成的内容是模拟人体皮肤的基础功能，虽然听起来很简单，但是科学家们也花了两年的时间来完成这一步。首先，科学家们经过调研选取了聚氨酯（TPU）作为基底材料，因为TPU拥有良好的拉伸性能以及极高的人体相容性。正是这些特性使得TPU附着在义肢上面的时候，不会因为运动而撕裂，也不会因为与人体相容性的问题导致不能亲肤使用。

尽管TPU已经有了这么多的优势，可是科学家们依旧不满足，想要给它更好的性能。比如，如何在保证TPU可拉伸性能的同时提高其韧性？

为此，科学家们研究了TPU中非平面环的结构特性。这个结构就像一个弹簧一样，拉伸的时候会变形，没有力的时候就可以恢复原来的形状。将非平面环结构引入TPU中可以极大地提高韧性，之后再将TPU与离子液体共混，就可以初步得到一种离子皮肤材料，从而感知外界的压力大小。

非平面环的转变

（图片来源：参考文献【5】）

最基础的性能问题解决了，我们是不是可以接着提一些更高的要求呢？比如像冲锋衣一样，即使被划伤也不会撕裂（传说中良好的抗撕裂性能）？如果在这个基础上，我们可以让这个伤口再度愈合呢？这样我们做出来的离子皮肤岂不是更加符合我们的实际使用情况了！

为了将离子皮肤进行优化与完善，科学家们选择了另一种结构——“Donor-Acceptor”结构。我们可以简单地将这种结构理解为两个有相互作用的微结构，类似于不干胶，既可以断开这种结构的连接，也可以在两个结构靠近的时候重新连接起来。科学家们通过研究发现，这种材料**不仅拥有很好的自愈合性能，还有良好的抗撕裂性能。**使用这种TPU所做的离子皮肤，拥有与TPU基体相似的性能。

材料的抗撕裂性能测试

（图片来源：参考文献【5】）

到这里，第一步的研究已经顺利完成了。可是科学家们为了给TPU赋予更符合实际使用场景的性能，继续在TPU的功能性领域钻研。

接续第二步：提高离子皮肤的感应灵敏度

人体皮肤需要能在高湿度环境下保护我们体内的组织，离子皮肤也应该具有类似的功能。于是科学家们想尽办法赋予材料高疏水性，但是原有的“Donor-Acceptor”结构，在高湿度环境下又无法保持良好的自愈合性能。

这一问题到底该如何解决？自我否定很痛苦，放弃自己的成果更痛苦。可是科学家们还是决定放弃自己先前的研究成果从头开始：放弃“Donor-Acceptor”结构，选用动态键作为分子内的“不干胶”，改变分子侧链结构来提高疏水性。

终于，科学家们得到了理想的基础材料。原本到这里就可以宣布我们的研究结束了，但是科学家们说：“不，我还要让它像人的皮肤一样灵敏。”于是，他们马不停蹄地展开了第二步研究计划。

既然第二步是提高离子皮肤的灵敏性，我们就要知道离子皮肤是如何工作的。在现有的TPU-IL（离子液体）体系中，TPU的作用有点像一个杂乱无章的毛线团，离子液体就好像一块块小磁铁藏在毛线团里。当外部有一个恒定的电场时，离子液体就好像是磁铁受到吸引，有一个想要从毛线团里跑出来的力，并且有一小部分会溢出，这个会影响电容数值，在这里我们称该现象为初始电容。

当我们挤压TPU的时候，离子液体就会像磁铁一样从毛线团中溢出来，更容易被电场所吸引并移动，这里我们称其为受压电容。如果受压电容与初始电容的差值比较大，那就证明离子皮肤的灵敏度比较强。

TPU-IL体系探知应力的原理图

当没有外力时，离子液体处于TPU主链之间；受到压力时，由于链间空间减小，离子液体溢出

（图片来源：参考文献【6】）

那么我们该如何提高这个差值？是降低初始电容还是提高受压电容呢？科学家们选择了前者。在没有外力的时候让这个离子液体不能轻易的从TPU中跑出来，而有外力的时候离子液体的溢出不受影响。

在提高离子皮肤灵敏度的研究工作中，中国科学家们受到了外国学者研究的启发——外国学者提出的“trap-release”效应，即“抓取-释放”效应。这是因为离子液体是含有阴阳离子的，它可以被电负性比较高的基团吸引，这样在外加电场时离子液体不容易移动，从而降低初始电容。

勇踏第三步：优化离子皮肤的生产工艺

我们如果将这种效应应用在我们的体系内会怎么样呢？要学习国外的三元非均相体系（TPU-IL系统中再引入纳米二氧化硅颗粒）嘛？三元非均相体系会不会增加工艺复杂程度？答案是肯定的，工艺一定会变得复杂，影响因子变多，过程可控性降低。我们可不可以引入“trap-release”效应，而不引入三元非均相体系，从而解决这些问题呢？

最终科学家们做了一次大胆创新，既保留高灵敏度，也保持原有的二元体系，直接进入第三步优化工艺。这得益于TPU结构的多样性，科学家将电负性较高的氯基团引入到TPU的侧链上，通过氯基团吸引离子液体，降低了初始电容。

高灵敏自愈合离子皮肤的结构图（中间黄色部分为TPU-IL层，灰色部分时纳米银线层，蓝色部分为自愈合TPU）、自愈合原理图以及trap-release效应原理图

（图片来源：参考文献【7】）

这就像在毛线团的线里植入一些小的磁铁，只受到电场作用时，毛线团中间的磁铁就不容易移动。但是在受力时，链间空间变小，离子液体依旧可以溢出，受压电容不变化。

这样一来，我们使用含有氯基团侧链的TPU与离子液体两种材料均相共混，**不仅提高了离子皮肤的灵敏度，也降低了工艺的复杂程度，同时保留了动态键的结构，使得离子皮肤依旧拥有良好的自愈合性能。**最终通过多层结构设计，科学家们成功地制备了小块的可自愈合的离子皮肤。

一步一脚印：离子皮肤的研究未完待续

到这里，科学家的研究还远没有结束，他们的第四步工作还在进行中。也许随着研究的深入，他们还会有第五步第六步，为离子皮肤赋予更多功能，让它能够更好地代替人体皮肤。也许有一天我们的生活就离不开这样的离子皮肤了，义肢、机械手臂、人机交互等方面都将使用到这样的技术。

参考文献：

[1]ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 11072.

[2]Materials Today Physics, 2020, 14, 100219.

[3]Chemical Engineering Journal, 2021, 410, 128363.

[4]Chemical Engineering Journal, 2021, 420, 127691.

[5]Advanced Functional Materials, 2021, 31, 2009869.

[6]Advanced Functional Materials, 2022, 32, 2106341.

[7]Nature Communications, 2022, 13, 7699.