最新Science：取代电子皮肤？可将机械力转变成离子信号的离子压电皮肤

一、【导读】

在自然界中，人类皮肤中存在着与神经组织相连的软力学感受器（mechanoreceptor），从而形成触觉感知。而受此启发，在假肢、可穿戴器件中加入模仿皮肤触觉功能的传感器阵列能够形成电子皮肤（electronic skins）。随着研究的深入，这类传感器可产生适当的相互作用，从而克服器件-组织的机械错配问题。近年来又出现了一类称为“离子皮肤”的替代器件。2013年，哈佛大学的锁志刚和Whitesides联合提出了具有生物相容性的离子皮肤。这种器件通常由水凝胶构成，与传统电子皮肤相比，其可拉伸性更强、透明度也更好，可以说是更接近皮肤的材料。不仅如此，电子皮肤中压力传感器的活性材料部分可由压电材料构成，这类材料可将机械力转变成电学信号；然而，涉及到神经等生物系统其实更倾向于基于离子而非电子的移动来进行运作，例如人体体感网络就依赖于离子电流（ionic currents）来感知、传递和处理触觉获取的信息。

二、【成果掠影】

近期，加拿大英属哥伦比亚大学的John D. W. Madden（通讯作者）等人提出了一种离子型压电方法，可基于水凝胶响应压力梯度直接产生离子电流（即离子压电效应，piezoionic effect）。在该研究所设计制备的水凝胶中，阳离子和阴离子的迁移行为不同，因此当被挤压时水凝胶可形成离子梯度并产生电压。由此产生的离子电流具有变化范围较宽的持续时间（从毫秒级别到数百秒级别），并且可发挥直接的神经调节和肌肉兴奋作用。阳离子和阴离子的迁移差异还可决定信号放大程度和持续时间，而同时，具有固定电荷梯度的图案化水凝胶薄膜可提供接近细胞电位的电压补偿，因此结合这两种效应，研究创造的自供能超软离子压电机械感受器可产生比摩擦纳米发电和压电器件高4-6个数量级的电荷密度，有望为设计仿生感知接口提供新的思路。本文第一作者为Yuta Dobashi，研究成果以题为“Piezoionic mechanoreceptors: Force-induced current generation in hydrogels”发表在国际著名期刊Science上。

三、【数据概览】

图1 生物感知转导和离子压电器件比较示意图以及离子压电器件作为离电型神经假肢的概念设计 © 2022 AAAS

（A）在生物系统中，力学传感器具有可将细胞膜和细胞外基质连接在一起的锚接结构和可拉伸离子通道的细胞骨架，因此在发生形变时可造成钠离子内流；

（B）在离子压电皮肤组件中，聚丙烯酸（带电）和聚丙烯酰胺（pAAm，中性）之间固定电荷浓度的差异可导致内置电位差异。

图2 离子压电机制和电学响应  © 2022 AAAS

（A）在压痕实验中，聚合物凝胶可展现离子位移/场，其中较小的红色阳离子通过绿色聚合物链网络的速度比蓝色阴离子更快，从而产生电荷不平衡和电场；

（B）分步压缩（20 kPa）下的聚丙烯酸-丙烯酰胺水凝胶电压响应；

（C）15%聚丙烯酸（pAA）凝胶压缩期间离子电流在开路状态下的模拟实验表征；

（D）30%聚丙烯酸凝胶压缩期间离子输运的模拟故障表征；

（E）在10%正弦压缩（0.1 Hz）条件下，在不同浓度氯化钠溶液中溶胀的15% w/v pAAm凝胶的离子电导率及其峰值电压（黑色），这一表征显示更高的氯化钠浓度可导致更高的信号值（红色）；

（F）PVDF-HFP固体聚合物电解质（蓝色）和LiTFSI/PC溶液（绿色）的离子电导率与浓度的关系；

（G）聚合物电解质中锂离子（粉色）和TFSI^-（蓝色）的扩散系数；

（H）具有不同浓度LiTFSI/PC的PVDF-HFP固体聚合物电解质在0.1-Hz/ 5%正弦应变下产生的峰值电压;

（I）在1.5 M 氯化钠溶液中溶胀的pAAm在分步压缩下的离子压电瞬态响应;

（J）在1.5 M 氯化钠溶液中溶胀的不同厚度pAAm在重复分步压缩下的离子压电瞬态响应;

（K）在1.5 M 氯化钠溶液中溶胀的pAAm凝胶，其峰值电流和功率与电阻负荷的关系;

（L）在1.5 M 氯化钠溶液中溶胀的pAAm凝胶，其能量富集和机电耦合与外部负荷的关系。

图3 16元离子压电力学传感器阵列的性质与执行 © 2022 AAAS

（A）力学感受器单元补偿电压和丙烯酸含量的关系；

（B）压痕诱导峰值离子压电电压和丙烯酸含量的关系；

（C）峰值电压和外加压力的关系；

（D）手腕上16元离子压电力学传感器阵列；

（E）离子压电力学传感器阵列检测单点触摸；

（F）离子压电力学传感器阵列检测多点触摸对应的归一化电压柱形图；

（G）离子压电力学传感器阵列检测多点触摸；

（H）离子压电力学传感器阵列检测多点触摸对应的归一化电压柱形图。

图4 在啮齿动物模型中实现离子压电神经调节 © 2022 AAAS

（A）离子压电周围神经刺激实验的设置示意图；

（B）不锈钢电极（红色）和PEDOT涂覆Pt-Ir电极（黑色）施加方波信号后的电流响应；

（C）离子压电刺激过程中读取的传感器电压和EMG信号；

（D）离子压电胫骨神经刺激。通过直接轻敲离子压电传感器可产生电流，从而下肢运动。

四、【成果启示】

该研究探索了水凝胶中离子压电效应的分子起源及其在感知仿生中的应用。研究发现水凝胶中的离子压电效应与皮肤力学感受器在电荷、电压和时间响应方面都具有极高的相似性，有望创造可与神经系统相互作用的离子皮肤。实验也进一步证明了，由pAAm水凝胶构成的离子压电传感器元件在氯化钠溶液中溶胀后，经过手部挤压可产生触觉诱导的电流脉冲。该研究认为，离子压电器件不仅在神经接口研究领域具有应用潜力，还有望作为新型离电（iontronic）工具在计算、致动和储能等领域发挥作用。

文献链接：Piezoionic mechanoreceptors: Force-induced current generation in hydrogels, Science, 2022, DOI: 10.1126/science.aaw1974.

本文由NanoCJ供稿。