模拟天然皮肤感知能力 科学家揭示“离子皮肤”工作机理

（图自：Kai Jacobson / UBC 应用科学学院）

此前我们已知晓这种水凝胶可在被触摸时产生电压，但一直不清楚背后的机理，直到不列颠哥伦比亚大学（UBC）的一支研究团队在 2022 年 4 月 28 日出版的《科学》杂志上给出了明确的解释。

研究一作 Yuta Dobashi 表示，其在该校攻读生物医学工程硕士学位时开始了这项工作。可知水凝胶传感器的工作原理，是它们可对压力或触摸等刺激给出电压和电流反应，我们称之为压电效应。

而为了搞清背后的原理，他在 UBC 应用科学学院与计算机工程教授 John Madden 博士的指导下设计了一项独特的实验。

首先是设计出包含不同大小的正离子和负离子盐的水凝胶传感器，然后携手该校物理与化学系的研究合著者们，通过部署磁场来精确追踪“当向传感器施加压力时”、离子是如何移动的。

结果发现，当对凝胶施加压力时，它会以不同的速度分散液体中的离子、从而产生电信号。

有趣的是，与较大的负离子相比，较小的正离子的移动速度要更快一些。这导致离子因分布不均匀而产生了电场，压电传感器的工作原理也是如此。

研究人员称，这一新发现证实了水凝胶的工作方式与人体的压力感知异曲同工（也是通过移动离子来响应压力），从而启发了基于“离子皮肤”的潜在新应用。

John Madden 博士补充道：最简单的应用场景，就是打造出与细胞和神经系统相互作用的传感器。而且除了向神经传递信号，我们也可想象激活神经以控制肌肉的收缩。

研究人员用果冻甜点来演示离子是如何在水凝胶中移动的

假如用“离子皮肤”来包裹义肢，其皮肤便可通过触摸或压力来感知物体。接着通过神经将信息传递给大脑，并由大脑来激活抓握或抬升物体所需的马达。

目前正在多伦多大学攻读博士学位的 Yuta Dobashi，希望在毕业后继续研究离子技术。相信随着皮肤传感器与神经接口技术的进一步发展，此类仿生应用也将迎来一波大爆发。

或者我们可以制造可穿戴的软水凝胶传感器，以在不碍眼和自发电的情况下监测患者的生命体征。作为参考，2019 年的智能皮肤市场规模在 45 亿美元左右、且还在持续增长的过程中。

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《Science》期刊上，原标题为《Piezoionic mechanoreceptors: Force-induced current generation in hydrogels》。