拉一拉扯一扯 仿生皮膚也會“痛”

張楠

你的中樞神經系統向大腦傳來警告：快通過應激反應保護自己！

科研人員一直希望仿生皮膚也能像生物體的皮膚一樣，擁有感受疼痛的能力，進而激發“皮膚”所在個體的自我保護反應。

受生物軟組織應變機械增強的啟發，中科院寧波材料技術與工程研究所（以下簡稱寧波材料所）智能高分子材料團隊基于在碳基/高分子復合薄膜的構筑及其柔性驅動與傳感方面的研究積累，提出了基于應變感知增強（SPS）效應的仿生皮膚，實現從觸覺到痛覺感知的動態轉變。

在生物系統中，軟組織可以通過應變增強來有效調節其機械強度以避免損傷。傳統的電子皮膚可以通過預先設定的電阻變化閾值模擬人類的觸覺或痛覺功能，但通過應變感知增強（SPS）實現主動感知仍存在一定的挑戰。

“目前對痛覺仿生皮膚的研究多集中在壓力傳感，壓力達到設定閾值激發控制系統來進行必要的預警或者行為響應，以應對更大的壓力。”論文第一作者、寧波材料所副研究員肖鵬告訴筆者。

而軟組織結合生物體的體感系統，可以在組織或者皮膚發生拉伸應變時經歷從觸覺到痛覺的可控感知閾值轉變，從而使得生物體能夠主動感知可能造成傷害的機械刺激，并迅速做出反應，防止危險發生。

因此，在應變機械增強之前，主動保護功能的實現，依賴于感覺系統觸發的強烈且快速的疼痛警告。

肖鵬表示，在SPS材料系統中，靈敏度系數（GF）和施加的應變具有典型的正相關性，在達到應變閾值后GF表現出明顯的提高，從而實現感知從觸覺到痛覺的過渡。

在本次發表的成果中，作者用“拉扯”動作展開研究。

他們采用界面自組裝和原位功能化策略，構筑了具有界面互鎖結構的二維石墨烯基彈性超薄膜（ECF）。

與基于一維碳納米管的ECF不同，基于二維石墨烯片層的ECF表現出隨應變正向變化的GF行為，這和真實脊椎動物的神經感覺系統具有相似的感知趨勢。

在ECF中，石墨烯片層之間相互堆疊形成的動態網絡可以通過不同程度的滑移，靈敏響應外界應變刺激，從而實現低應變下正常的觸覺感知，以及高于應變閾值的痛覺感知。

進一步，通過調控石墨烯片層的厚度，可以使應變閾值在7.2%到95.3%范圍內變化。

“也就是說，利用ECF制造的仿生皮膚將更敏感，輕微的拉、扯，就可以激發痛覺感知，從而通知處理系統在發生更大程度的拉扯刺激前主動反應，規避風險。”肖鵬解釋說，“而且激發痛覺感知的應變閾值是可以根據需求調控的，這將有助于更復雜的功能管理。”

這種優異的性能可調性，將大大促進ECFs在基于SPS效應的仿生皮膚中的應用，模仿人體組織的疼痛感知功能，比如監測肌腱的過度拉伸，以及手背皮膚受到拉扯產生的痛覺。

河豚受到威脅會“變身”，通體長出尖刺。研究人員受河豚皮膚三維形變的啟發，將ECF集成為自支撐形式的仿生皮膚，可以靈敏感知接觸或非接觸式機械刺激，以及實時監測三維氣動形變，進而通過SPS效應有效檢測到處于過度膨脹狀態的三維形變，實現動態的痛覺感知。

研究人員認為，探索不依賴于物理尺寸、形狀和初始電導率的SPS材料系統，將有利于智能友好型軟體機器人的發展，對人機交互中的危險規避具有重要意義。未來，基于SPS效應的ECFs有望在安全友好的人機交互、智能假肢和軟體機器人中得到廣泛應用。

當然，目前的技術成果距離將仿生皮膚應用于生物體還很遙遠。肖鵬表示：“我們將ECF制作成超薄膜，是向人體皮膚的結構靠近，它在未來一定有望實現更多真實皮膚的功能。”