最新Science：取代電子皮膚？可將機械力轉變成離子信號的離子壓電皮膚

一、【導讀】

在自然界中，人類皮膚中存在著與神經組織相連的軟力學感受器（mechanoreceptor），從而形成觸覺感知。而受此啟發，在假肢、可穿戴器件中加入模仿皮膚觸覺功能的傳感器陣列能夠形成電子皮膚（electronic skins）。隨著研究的深入，這類傳感器可產生適當的相互作用，從而克服器件-組織的機械錯配問題。近年來又出現了一類稱為“離子皮膚”的替代器件。2013年，哈佛大學的鎖志剛和Whitesides聯合提出了具有生物相容性的離子皮膚。這種器件通常由水凝膠構成，與傳統電子皮膚相比，其可拉伸性更強、透明度也更好，可以說是更接近皮膚的材料。不僅如此，電子皮膚中壓力傳感器的活性材料部分可由壓電材料構成，這類材料可將機械力轉變成電學信號；然而，涉及到神經等生物系統其實更傾向于基于離子而非電子的移動來進行運作，例如人體體感網絡就依賴于離子電流（ionic currents）來感知、傳遞和處理觸覺獲取的信息。

二、【成果掠影】

近期，加拿大英屬哥倫比亞大學的John D. W. Madden（通訊作者）等人提出了一種離子型壓電方法，可基于水凝膠響應壓力梯度直接產生離子電流（即離子壓電效應，piezoionic?effect）。在該研究所設計制備的水凝膠中，陽離子和陰離子的遷移行為不同，因此當被擠壓時水凝膠可形成離子梯度并產生電壓。由此產生的離子電流具有變化范圍較寬的持續時間（從毫秒級別到數百秒級別），并且可發揮直接的神經調節和肌肉興奮作用。陽離子和陰離子的遷移差異還可決定信號放大程度和持續時間，而同時，具有固定電荷梯度的圖案化水凝膠薄膜可提供接近細胞電位的電壓補償，因此結合這兩種效應，研究創造的自供能超軟離子壓電機械感受器可產生比摩擦納米發電和壓電器件高4-6個數量級的電荷密度，有望為設計仿生感知接口提供新的思路。本文第一作者為Yuta Dobashi，研究成果以題為“Piezoionic mechanoreceptors: Force-induced current generation in hydrogels”發表在國際著名期刊Science上。

三、【數據概覽】

圖1 生物感知轉導和離子壓電器件比較示意圖以及離子壓電器件作為離電型神經假肢的概念設計 ??2022 AAAS

（A）在生物系統中，力學傳感器具有可將細胞膜和細胞外基質連接在一起的錨接結構和可拉伸離子通道的細胞骨架，因此在發生形變時可造成鈉離子內流；

（B）在離子壓電皮膚組件中，聚丙烯酸（帶電）和聚丙烯酰胺（pAAm，中性）之間固定電荷濃度的差異可導致內置電位差異。

圖2 離子壓電機制和電學響應 ???2022 AAAS

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（A）在壓痕實驗中，聚合物凝膠可展現離子位移/場，其中較小的紅色陽離子通過綠色聚合物鏈網絡的速度比藍色陰離子更快，從而產生電荷不平衡和電場；

（B）分步壓縮（20 kPa）下的聚丙烯酸-丙烯酰胺水凝膠電壓響應；

（C）15%聚丙烯酸（pAA）凝膠壓縮期間離子電流在開路狀態下的模擬實驗表征；

（D）30%聚丙烯酸凝膠壓縮期間離子輸運的模擬故障表征；

（E）在10%正弦壓縮（0.1 Hz）條件下，在不同濃度氯化鈉溶液中溶脹的15% w/v pAAm凝膠的離子電導率及其峰值電壓（黑色），這一表征顯示更高的氯化鈉濃度可導致更高的信號值（紅色）；

（F）PVDF-HFP固體聚合物電解質（藍色）和LiTFSI/PC溶液（綠色）的離子電導率與濃度的關系；

（G）聚合物電解質中鋰離子（粉色）和TFSI^-（藍色）的擴散系數；

（H）具有不同濃度LiTFSI/PC的PVDF-HFP固體聚合物電解質在0.1-Hz/ 5%正弦應變下產生的峰值電壓;

（I）在1.5 M 氯化鈉溶液中溶脹的pAAm在分步壓縮下的離子壓電瞬態響應;

（J）在1.5 M 氯化鈉溶液中溶脹的不同厚度pAAm在重復分步壓縮下的離子壓電瞬態響應;

（K）在1.5 M 氯化鈉溶液中溶脹的pAAm凝膠，其峰值電流和功率與電阻負荷的關系;

（L）在1.5 M 氯化鈉溶液中溶脹的pAAm凝膠，其能量富集和機電耦合與外部負荷的關系。

圖3 16元離子壓電力學傳感器陣列的性質與執行 ??2022 AAAS

（A）力學感受器單元補償電壓和丙烯酸含量的關系；

（B）壓痕誘導峰值離子壓電電壓和丙烯酸含量的關系；

（C）峰值電壓和外加壓力的關系；

（D）手腕上16元離子壓電力學傳感器陣列；

（E）離子壓電力學傳感器陣列檢測單點觸摸；

（F）離子壓電力學傳感器陣列檢測多點觸摸對應的歸一化電壓柱形圖；

（G）離子壓電力學傳感器陣列檢測多點觸摸；

（H）離子壓電力學傳感器陣列檢測多點觸摸對應的歸一化電壓柱形圖。

圖4 在嚙齒動物模型中實現離子壓電神經調節 ??2022 AAAS

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（A）離子壓電周圍神經刺激實驗的設置示意圖；

（B）不銹鋼電極（紅色）和PEDOT涂覆Pt-Ir電極（黑色）施加方波信號后的電流響應；

（C）離子壓電刺激過程中讀取的傳感器電壓和EMG信號；

（D）離子壓電脛骨神經刺激。通過直接輕敲離子壓電傳感器可產生電流，從而下肢運動。

四、【成果啟示】

該研究探索了水凝膠中離子壓電效應的分子起源及其在感知仿生中的應用。研究發現水凝膠中的離子壓電效應與皮膚力學感受器在電荷、電壓和時間響應方面都具有極高的相似性，有望創造可與神經系統相互作用的離子皮膚。實驗也進一步證明了，由pAAm水凝膠構成的離子壓電傳感器元件在氯化鈉溶液中溶脹后，經過手部擠壓可產生觸覺誘導的電流脈沖。該研究認為，離子壓電器件不僅在神經接口研究領域具有應用潛力，還有望作為新型離電（iontronic）工具在計算、致動和儲能等領域發揮作用。

文獻鏈接：Piezoionic mechanoreceptors: Force-induced current generation in hydrogels,?Science, 2022, DOI: 10.1126/science.aaw1974.

本文由NanoCJ供稿。