中國科學(xué)家打造“類真人皮膚”：受傷1小時完全愈合

出品：科普中國

作者：潘寶海 應(yīng)鄔彬（中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

我們總有這樣的感覺，機(jī)器人越像人類，科技含量就越高。

這并不是人類的自戀。生命是大自然最復(fù)雜最精密的“機(jī)器”，能模擬自然界的生物，也象征著科技的進(jìn)步。

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，人類對類人機(jī)器人的需求也越來越高，這不僅是因為，機(jī)器人可以完成人類無法完成的任務(wù)，還因為機(jī)器人可以模擬人類的外表和動作，讓人類更容易接受它們。

但是我們現(xiàn)在，一想起機(jī)器人，首先聯(lián)想到的還是冰冷的金屬表面。為了讓機(jī)器人更加接近真實的人類，在“皮膚”這個角度上可得下下功夫。這其中的關(guān)鍵技術(shù)，就是咱們今天介紹的對象——“類人皮膚”，也稱離子皮膚。

超乎想象的“類真人”離子皮膚

離子皮膚的能力可能會超乎你的想象，它可以模擬人類皮膚的結(jié)構(gòu)和特性，不僅彈性好，還能受力。

離子皮膚是一種仿生材料，它是由生物相容的聚氨酯材料與離子液體構(gòu)成的。這種材料可以感知外界的力和壓力，并將信號傳遞到電路系統(tǒng)中，使系統(tǒng)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)或者做出反應(yīng)。

顧名思義，離子皮膚，那肯定與離子有關(guān)嘍？確實是這樣的。

我們知道，人體感知系統(tǒng)是靠Na+,K+等離子傳輸信號的。當(dāng)外界的作用力使表皮細(xì)胞內(nèi)外的離子濃度出現(xiàn)差別時，人就可以感知到它們。離子皮膚同樣通過探測離子的狀態(tài)來檢測外界應(yīng)力，即外力的作用會改變材料中離子的狀態(tài)從而引起電信號的變化。

人體皮膚的結(jié)構(gòu)與離子皮膚的設(shè)計概念設(shè)計（圖片來源：作者自制）

離子皮膚的應(yīng)用場景可能也會超乎你的想象。它在機(jī)器人領(lǐng)域和可穿戴醫(yī)療領(lǐng)域中都具有廣泛的應(yīng)用價值。在機(jī)器人領(lǐng)域，離子皮膚可以使機(jī)器人更加智能化，更好地與人類交互。在可穿戴醫(yī)療領(lǐng)域，離子皮膚可以用于監(jiān)測人體健康狀況和治療某些疾病。

不過，雖然離子皮膚可以模擬人類皮膚的某些特性，但它目前還不能直接應(yīng)用于替代人類皮膚上。這是因為目前離子皮膚的材料和制造工藝還不夠成熟，電子信號與人大腦的交互研究也不夠深入，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

能自愈、超靈敏的新型離子皮膚

中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所，也研發(fā)出了一種新型的離子皮膚。這種新型離子皮膚，不僅具有原本離子皮膚能受力、能形變的特點，它還超靈敏，甚至受傷了還能自我修復(fù)。

（視頻來源：作者提供）

明明是人工制造的材料，竟然能像人類自己的皮膚一樣能夠自我修復(fù)？這聽起來也太神奇了吧！那么新型離子皮膚的自愈合性能是怎么實現(xiàn)的呢？

關(guān)鍵就在于材料中引入的動態(tài)二硫鍵。動態(tài)二硫鍵一直處于斷裂重組的動態(tài)平衡，當(dāng)傷口形成時，由于傷口附近二硫鍵的斷裂重組，使得傷口兩側(cè)材料再度鍵合。這樣就能實現(xiàn)“類人”皮膚的自愈合了。

這種新型離子皮膚不僅能自愈合，還超靈敏！它模擬了類似生物觸覺細(xì)胞的離子信號傳輸系統(tǒng)，根據(jù)力的變化控制離子導(dǎo)體內(nèi)部的離子分布，最大限度地提高觸覺感知。

聽起來，自愈合的原理好像很簡單？是不是愈合越快越好呢？

雖然科研人員目標(biāo)是研發(fā)自愈合的離子皮膚，但是這個新材料，愈合得實在太快了（不是在凡爾賽），反而給科研人員制造了小小的麻煩。

在這種材料的研發(fā)過程中，需要在顯微鏡下觀察傷口的自愈合行為。每次切割后，都要重新設(shè)置各種參數(shù)，而這種材料的自愈合速度又過快，導(dǎo)致科研人員總是錯過一些重要的細(xì)節(jié)。最終不得不改進(jìn)測試儀器，才得到下面的完整自愈合過程的視頻。

（視頻來源：作者提供）

結(jié)語

離子皮膚能夠模擬人類皮膚的結(jié)構(gòu)和特性，并具有自愈合的功能，這意味著它可以被用于監(jiān)測人體健康狀況和治療某些疾病。與此同時，離子皮膚對于力的敏感性也為人機(jī)接口器件的發(fā)展提供了新的可能性。

雖然目前離子皮膚的材料和制造工藝還不夠成熟，但是我們相信在未來的研究中，離子皮膚技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用和進(jìn)一步的改進(jìn)。總之，離子皮膚的研究將會推動人類與機(jī)器人之間的交互和合作，也將會為人類的健康提供更加智能和有效的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] https://www.nature.com/articles/s41467-022-35434-8

編輯：郭雅欣