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郑州大学毛彦超课题组AFM：基于导电蛋白质的水凝胶与生物质子皮肤用于人机融合界面

文章来源：高分子科学前沿更新时间：2023-01-31 15:16:06

人机界面是人机交互的重要媒介，近年来受到广泛的关注。作为一种可以贴附在皮肤表面的人机界面，人工皮肤在医疗监测和个人电子方面显示出巨大的发展潜力。人工皮肤也有望用于开发新一代的人机融合界面，然而将人工皮肤和人体组织进行融合在很大程度上受到现有人工皮肤与生物组织的材料组分不同的限制。例如，人类的皮肤主要由蛋白质、脂类和水等组成，而目前大多数人工皮肤是由合成聚合物、金属或碳材料等制成。质子导电蛋白质具有与人体组织相似的材料组成和生理特性，是作为人工皮肤用于人机融合界面的一种理想材料，其质子导电特征也类似于人体皮肤的传感机制。然而，目前的导电蛋白质材料存在容易失水的问题，这使其质子电导率在日常环境中会出现严重的衰退，阻碍了其实际应用。

郑州大学毛彦超教授课题组报道了一种受人体皮肤皮脂膜启发的基于蛋白质的生物质子水凝胶，其具有良好的保水性并用于人工皮肤。具有质子导电特性的牛血清白蛋白被用于这种水凝胶当中，自然存在于皮肤表面的甘油作为人工皮脂膜被用来保水。这种水凝胶被用作一种生物质子皮肤（B-skin），其具有优良的保水性、抗冻性、可拉伸性、透明性和生物降解性，可用于长时间测量人体电生理信号以及传感。基于该生物质子皮肤，进一步开发了智能机械人控制系统和蓝牙手机操控系统。相比于传统的人工皮肤，这种生物质子皮肤由类似于皮肤材料组分的生物材料构成，包括蛋白质、皮肤自身能够产生的甘油和水。这种生物质子皮肤很有前景用于发展新一代的人机融合界面。该研究以“Sebum-Membrane-Inspired Protein-Based Bioprotonic Hydrogel for Artificial Skin and Human-Machine Merging Interface” 为题发表于国际权威期刊《Advanced Functional Materials》。

图1. 受皮脂膜启发的基于蛋白质的生物质子皮肤基本结构

具有质子导电特性的牛血清白蛋白被用于生物质子水凝胶当中，自然存在于皮肤表面的甘油作为人工皮脂膜被用来保水。这种水凝胶构成的生物质子皮肤具有良好的透明性、可拉伸性、抗冻性和生物降解性。

图2. 生物质子皮肤的机械性、抗冻性、保水性和电学性质

分别对生物质子皮肤的机械性、抗冻性、保水性和电学性质进行测试。其最大伸长量可以达到约400%，即使在-20℃的温度下其仍然保持良好的拉伸性。生物质子皮肤表现出优良的长时间保水性。在不同环境条件下，生物质子皮肤的电化学阻抗测试。

图3. 生物质子皮肤用于测量电生理信号

具有良好导电性和拉伸性的生物质子皮肤被用于采集人体电生理信号。贴附在人体的相应部位获取不同的电生理信号，包括脑电(EEG)、心电(ECG)和肌电(EMG)，并且可以进行长时间或低温下的信号采集。

图4. 生物质子皮肤应用于智能机器人操控和手机控制系统

基于这种生物质子皮肤的电生理信号采集能力，进一步开发了一种智能机械人控制系统。通过采集人体手臂伸直和弯曲的肌电图信号可以相应地控制机器人。利用生物质子皮肤的传感性能，开发了一种智能蓝牙手机操控系统，可以用来控制音乐播放。这种生物质子皮肤在智能机器人和个人电子方面的具有着广阔的应用前景。

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