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纳米纤维结构加持！新型人造皮肤柔软、不会疲劳，还能自我修复

文章来源：贤集网更新时间：2022-09-07 14:56:51

近年来，世界各地的机器人专家和材料科学家一直在尝试创建类似于人体并重现其功能的人工系统。其中包括人造皮肤、保护层，这些保护层也可以增强机器人的感知能力。

中国东华大学和德国于利希中子科学中心 (JCNS) 的研究人员最近开发了一种新的、极具前景的人造离子皮肤，该皮肤基于一种类似于人类皮肤的自愈弹性纳米网，是一种交织结构。在Nature Communications上发表的一篇论文中介绍了这种人造皮肤，它柔软、不会疲劳，还能自我修复。

不会疲劳且可自我修复的混合离子皮肤，具有来自真实人体皮肤的仿生纳米纤维结构。图片来源：王等人。

“众所周知，皮肤是人体最大的器官，它既是保护层又是感觉界面，以保持我们的身体健康和感知力，”研究人员孙盛说：“随着人工智能和软机器人技术的快速发展，研究人员目前正试图给类人机器人披上一层‘人造皮肤’，这种‘人造皮肤’可以复制人类皮肤的所有机械和感官特性，这样它们也能像我们一样感知不断变化的外部环境。”

由于人体皮肤是一个高度复杂和精密的系统，因此模仿其所有功能可能极具挑战性。例如，人类皮肤可以通过接收基于离子的电子信号来感知各种环境变化，包括压力、其表面变形和温度变化。

人体皮肤感觉柔软，但拉伸时会变得非常紧实，皮肤也可以在几天内自然愈合伤口，完全修复其结构和功能。更重要的是，每年超过100万次的变形循环伴随着身体运动，皮肤的特性不会退化，这表明它具有非常好的抗疲劳特性。

尽管材料科学家最近设计了几种人造皮肤，也称为电子或离子皮肤，但这些系统中的大多数只能再现皮肤的一部分自然属性。多年来，孙和他的同事一直在尝试设计更多类似皮肤和逼真的材料。

“在进行研究时，我们注意到皮肤通过分层纳米纤维结构结合了多种有趣的特性，这种结构由嵌入柔软交织弹性蛋白基质中的坚硬胶原纤维支架定义，”孙说：“这两个阶段不仅在伤口上的真皮成纤维细胞的帮助下愈合，而且通过将损伤固定在硬胶原纳米纤维上，赋予人体皮肤非常高的断裂韧性。”

从皮肤的自然结构中汲取灵感，研究人员着手设计一种基于自愈纳米网和离子基质的新型人造皮肤，可以分别复制胶原蛋白和弹性蛋白的功能。这导致了一种类似皮肤的材料，柔软但在拉伸时变得坚硬，这种特性被称为“应变硬化”。此外，它们的人造皮肤在受损后可以自主修复，抗疲劳，并对形状变形做出快速响应，这对于传感应用来说尤其理想。

“受皮肤可修复的纳米纤维结构的启发，我们通过将可自我修复的弹性纳米网支架嵌入另一个可自我修复的软离子基质中，创造了一种人造离子皮肤，”孙说：“纳米网是通过静电纺丝合成聚氨酯制成的，这种聚氨酯可以在室温下通过二硫键交换进行自我修复。离子基质是通过蒸发聚（丙烯酰胺-共-丙烯酸）、透明质酸和 CaCl 2的水溶液制成的。，可以借助水分进行愈合。由于两种母材的可愈合性，混合离子皮肤也可以在短时间内愈合损伤。

Sun和他的同事们创造的人造皮肤具有独特的弹性和纳米纤维结构，使其高度抗疲劳。更具体地说，其嵌入的聚氨酯纳米纤维可以覆盖较大的力传递长度，从而使裂缝变钝并防止裂缝进一步扩展。

在初步评估中，人造皮肤系统取得了非常有希望的结果。研究小组发现，即使上面有一个预切槽口，混合离子在超过 10,000 次拉伸循环中仍然完好无损。混合离子皮肤的计算疲劳阈值约为 2,950 J m -2 ，几乎是人体肌肉 (1,000 J m -2 )的两倍。

“柔软性和可拉伸性是类皮肤传感材料最重要的两个机械性能，”孙说：“然而，传统的柔软性和可拉伸性材料设计通常会导致低强度，这不利于离子皮肤的使用寿命。我们通过生产一种模拟人体皮肤可修复纳米纤维结构的混合离子皮肤来解决这个问题。”

该研究小组创建的类皮肤系统是首批不仅柔软且可拉伸，而且具有可靠的自我修复和抗疲劳功能的人造皮肤之一。未来，孙和他的同事提出的设计可用于基于其他材料组合创建其他坚固且离子传导的结构。

此外，他们的人造皮肤系统可以帮助开发更耐疲劳、性能更好并且随着时间推移不易损坏的类人机器人。尽管该团队的离子皮肤迄今为止取得了显着的成果，但它仍然存在一些明显的局限性，Sun 和他的同事们最终希望能够克服这些局限性。

“因为我们使用吸湿性水凝胶作为离子基质，环境稳定性相对较差，尤其是在水分变化的条件下，”孙补充道：“在非常干燥的环境条件下，离子基质会因失水而变硬，皮肤的自我修复能力也将难以实现。为了克服这个限制，我们现在有动力生产更坚固的离子皮肤，可以在低温和高温、水下、真空或存在腐蚀性物质等恶劣条件下可靠工作。这对于预计在比人类居住环境更复杂和多变的环境中运行的软机器人非常有用。”

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_515986.html
来源：贤集网
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