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文献专栏

聚离子弹性体用于仿生皮肤和仿生肌肉系统(东华大学)

发表时间:2020-03-12 14:41
研究背景
随着人工智能、物联网和软机器人技术领域的发展,人们对于如何更好地模拟甚至超越生物体功能有了更高的需求。例如,受到人的皮肤和肌肉系统的启发,构筑可以感知环境刺激、并执行致动行为的智能软材料成为一项重要的挑战。传统电子导体材料可以实现灵敏的传感功能,但由于其刚性不可拉伸的力学性能,在许多仿生应用中受到限制。近年来新发展的水凝胶类离子导体材料具有更丰富可调的仿生力学效果,有利于构筑更贴近生物组织力学效果的仿生智能器件,但是普通水凝胶缺乏高度集成的感知功能,也难以在感知环境刺激以后实现自发的致动行为。
工作基础
对于上述问题,武培怡教授课题组在对高分子的分子内以及分子间相互作用机理的研究基础上,提出了一系列调控凝胶力学、电学和光学性质的设计,极大改善和拓宽了基于凝胶类的仿生皮肤的应用前景。课题组此前报道了:(1)利用纳米级无定形矿物粒子和天然多糖的离子作用,调节物理交联聚丙烯酸的粘弹性,所构筑的仿生皮肤可以快速自修复,并且具有更高的应力响应灵敏度(Adv. Mater. 2017, 29, 1700321);(2)利用刺激响应水凝胶的体积相转变行为,将外界刺激转变为有效电信号,拓宽了水凝胶类仿生皮肤的感知功能(Mater. Horiz. 2017, 4, 694-700);(3)以及利用三种分子间非共价相互作用 (氢键、疏水作用、离子相互作用),实现多重动态交联网络,制备的透明超分子水凝胶集合了一系列类似皮肤甚至超越皮肤的力学性质,具有压缩回弹性,可大幅拉伸,可自修复,可在室温下的任意塑形,并通过电阻和电容的两种电信号,同时实现对外界应力应变和温度刺激的感知(Nat. Commun. 2018, 9, 1134);(4)进一步引入α-甲基,则可以实现对具有相同共聚单体结构的水凝胶相变行为从UCST(Utmost Critical Solution Temperature)到LCST(Lowest Critical Solution Temperature)的广泛调节,基于此构筑的仿生水凝胶皮肤不仅具有多重电信号感知效果,还可以实现可调节的温度-光学响应效果(ACS Nano, 2018,12, 12, 12860-12868)。
文章亮点
本工作则报道了一种聚离子弹性体,其制备方法非常简洁,选用合适的配比,所得材料透明性非常优异。通过适当的后处理,可有效避免水凝胶中自由水蒸发的问题,同时在目前仿生皮肤感知功能的基础上,进一步引入对环境刺激的致动响应机制,可以模仿具有致动和反馈效果的神经肌肉系统。预计这项工作不仅将为可拉伸导体材料的发展提供新的概念,而且还能够制造具有更多功能的仿生人机界面。研究工作Adaptable polyionic elastomers with multiple sensations and entropy-driven actuations for prosthetic skins and neuromuscular systems发表在 Materials Horizons 上。
聚离子弹性体用于仿生皮肤和仿生肌肉1.jpg
图文解析
这种弹性体通过聚阴离子和聚阳离子之间的弱氢键作用交联,可以进行3D打印,可以直接加工在不同基底上,也可以形成自支撑结构。
聚离子弹性体用于仿生皮肤和仿生肌肉2.jpg
图1. 聚离子弹性体可以打印在不同基底上,也可以加工出自支撑结构(标尺:1 cm)。

聚离子弹性体不仅透明性好,具有较高的高模量(约 1 MPa)快速自主自修复效果(48 小时以内),以及大气环境下稳定的离子传导率。可以模拟人体皮肤的不同感受器:当这种弹性体作为仿生皮肤贴在假肢上时,可以赋予假肢对应力、应变、触摸、温度和湿度的多重感知功能。


聚离子弹性体用于仿生皮肤和仿生肌肉3.jpg
图2.3D打印的聚离子弹性体可集成对运动、触摸、湿度、和温度的感知能力(标尺:1cm)。
这种聚离子弹性体除了具有接近生物组织的力学性能和感知功能以外,还可以实现同步的致动和反馈效果。实验展示了通过调控材料内部高分子长链的构象熵,可以控制聚离子弹性体的运动,结合其电信号的实时反馈,可用于构筑软机器人的神经肌肉系统。当柔性高分子链在环境条件下拉伸并冷冻至低于其玻璃温度(Tg)时,聚离子弹性体会被暂时锁定在高能态(低熵状态);随着温度升高到Tg以上,链段运动随后被激活,因此聚离子弹性体自动切换到永久形状(高熵状态)。而其中的氢键交联网络确保了对永久形状的记忆,致动温度Tg则可以通过简单地改变单体比例来定制。此外,由于聚合物弹性体在近红外(NIR)区域具有一定的吸收特性,可以通过光热转换效应来实现远程光控致动效果。
如图3所示,当聚离子弹性体在室温下弯曲并暂时固定在0 ℃左右时,弯曲肌肉显示出稳定的电阻信号(阶段Ⅰ)。通过远程NIR控制,聚离子弹性体肌肉逐渐伸展并显示实时电信号反馈,即伴随着热阻信号的降低(阶段Ⅱ)。根据NIR光的热量产生和散热到环境的平衡,温度最终达到恒定,同时肌肉也达到拉伸记忆状态,热阻信号也随之达到平衡(阶段Ⅲ)。在此过程中,它可以像生物肌肉一样响应外部刺激,并且伴随着实时的神经电信号,因此显示了制造可与环境智能交互的软机器人的潜力。人们可以调整光的强度来控制响应速度,并通过引入其他刺激响应行为和结合有限元模拟分析来进一步编程更复杂的运动。
聚离子弹性体用于仿生皮肤和仿生肌肉4.jpg
图3. 聚离子弹性体可以模拟神经肌肉系统,实现远程光操控致动,并通过电信号实时反馈外界刺激。
该课题得到了国家自然科学基金重点项目(51733003) 和国家自然科学基金面上项目(21674025) 的资助与支持。文章第一作者为雷周玥博士,通讯作者为武培怡教授。
论文链接:
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/mh/c8mh01157e/unauth#!divAbstract


来源:高分子科学前沿

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