在尋求建立模仿自然皮膚傳感能力的智能皮膚的過程中，離子皮膚顯示出了顯著的優勢。它們由柔韌的生物相容性水凝膠制成，與塑料和金屬制成的智能皮膚相比，水凝膠具有天然皮膚的柔軟性。這為安裝它們的假肢或機器人手提供了更自然的感覺，并使它們佩戴舒適。

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這些水凝膠在被觸摸時可以產生電壓，但科學家們并不清楚如何產生電壓——直到不列顛哥倫比亞大學的一組研究人員設計了一個獨特的實驗。

“水凝膠傳感器的工作原理是，它們對壓力或觸摸等刺激做出反應，產生電壓和電流——我們稱之為壓電效應，”該研究的主要作者森英士·多巴希說，他在UBC大學攻讀生物醫學工程碩士學位時開始了這項工作。“我們不知道這些電壓是如何產生的。”

在UBC研究人員約翰·麥登博士的指導下，Dobashi設計了水凝膠傳感器，其中含有不同大小的正負離子鹽。他和UBC大學物理系和化學系的合作者應用磁場來精確跟蹤當壓力施加到傳感器上時離子是如何運動的。

“當對凝膠施加壓力時，它會以不同的速度將液體中的離子分散開，從而產生電信號，”Dobashi說。往往較小的正離子比較大的負離子移動得快。這會導致不均勻的離子分布，從而產生電場，這就是壓電傳感器的工作原理。”

這項研究的主要作者，森英士·多巴西，作為他在UBC大學生物醫學工程碩士學位的一部分，開始了這項工作。

研究人員表示，這一新知識證實了水凝膠的工作方式與人類檢測壓力的方式類似，也是通過移動離子來響應壓力，激發了離子皮膚的潛在新應用。

研究人員使用果凍甜點來演示離子如何在水凝膠中運動。

“明顯的應用是創造直接與細胞和神經系統互動的傳感器，因為電壓、電流和響應時間就像細胞膜上的一樣，”UBC應用科學學院的電子和計算機工程教授馬登博士說。“當我們將傳感器連接到神經時，它會在神經中產生信號。反過來，神經激活肌肉收縮。

“你可以想象一個覆蓋著離子皮膚的假肢。皮膚通過觸摸或壓力感知物體，通過神經將信息傳遞給大腦，然后大腦激活舉起或握住物體所需的電機。隨著傳感器皮膚和與神經接口的進一步發展，這種仿生接口是可以想象的。”

另一個應用是佩戴在皮膚上的柔軟水凝膠傳感器，它可以監測患者的生命體征，同時完全不引人注目，并產生自己的能量。

“我們可以想象未來膠狀‘離子電子學’被用于人體植入，”馬登說。“可以植入人工關節，不用擔心人體內部的排斥。離子設備可以作為人工膝關節軟骨的一部分，增加一個智能傳感元件。例如，壓電離子凝膠植入物可能會根據它感應到的壓力釋放藥物。”

他補充說，智能皮膚的市場估計為45億美元，并且還在繼續增長。

“智能皮膚可以集成到衣服中，也可以直接放在皮膚上，離子皮膚是可以進一步發展的技術之一。”

標簽： 研究人員 生物相容性 進一步發展