中國科學家的新突破：讓假肢“長”出它自己的皮膚！

今天小編分享的科學經驗：中國科學家的新突破：讓假肢“長”出它自己的皮膚！，歡迎閲讀。

自 2010 年起，每年的 8 月 11 日被定為全國 " 肢殘人活動日 "。随着社會各界對肢殘人群體的關心與重視，科學家們也在不斷以科研行動助力肢殘人群體的日常生活。

對于肢殘人群體而言，基礎材料對他們的康復、日常起居至關重要。中國基礎科學不斷發展，中國科學家們也已經在義肢離子皮膚仿生材料上取得了許多研究成果。

今天，就讓我們一起來認識中國科學家們在義肢離子皮膚仿生材料上所進行的不竭探索吧！

拿得起放得下：

大腦與手掌間的握力反饋機制

讓我們回想一下，我們平時是怎麼樣拿取玻璃杯的呢？我們的大腦首先會給出一個指令，讓我們伸出手去接觸玻璃杯，摸到玻璃杯以後，大腦下令握緊玻璃杯。這個時候，手掌會反饋一個信号給大腦，告訴大腦接觸的松緊，當大腦覺得松緊程度足夠拿起玻璃杯時，就會下令拿起杯子來。

手掌握起玻璃杯。圖庫版權圖片，轉載使用可能引發版權糾紛

想象一下，如果我們的手掌沒有這樣的反饋機制，大腦完全不知道我們用了多大的力，會發生什麼？

一種相對來説比較好的結果就是握得不緊以至于拿不起玻璃杯來，或者浪費了很多非必要的力氣拿起了杯子。那如果我們手掌用的力氣太大，是不是有可能捏碎玻璃杯呢？

這個時候肯定有小夥伴認為，什麼人會不知道自己用了多大力氣啊？誰會捏碎玻璃杯啊？這個問題完全不存在啊！

我們換一個角度想一下，如果這只手不是真人手臂，而是機器人手臂或者假肢呢？失去了對力的反饋，大腦又該如何調整力的大小呢？在這種情況下，力的反饋機制是不是就顯得尤為重要了呢？

倘若想要讓義肢或者機器人擁有這樣的反饋機制，我們需要怎麼做呢？我們能不能從生物身上學到一些技術呢？

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靈感源于自身：

離子皮膚的 " 四步走 "

其實人的身體本身就是一個很好的例子，我們可以模拟人體的反饋機制，去設計義肢的接觸反饋機制。科學家們使用導線代替神經來傳導壓力信号，将相應的信号傳入到代替大腦的 CPU 中。可是問題還未被完全解決——我們該用什麼來探測這個壓力信号呢？又該怎麼做呢？

人類皮膚上有很多感應細胞，當他們受到壓力的時候，細胞内的離子通道會發生變化，導致内外的鉀離子與鈉離子濃度發生變化，從而探測到外界的力。如果我們做一種仿生的人工皮膚來模拟人體皮膚，這可行嗎？答案是可行的，但是成果不是一簇而就的。

總體上來説，中國科學家将研究工作分為了四步：

第一步是模拟人體皮膚基礎的功能，就是感知外界的力；

第二步是提高感應的靈敏度，讓那些微小的力都逃不過機器的探測；

第三步是簡化生產工藝，讓這種人工離子皮膚的生產過程更加容易，工藝條件更加可控；

第四步是賦予離子皮膚更多的功能，比如像人體皮膚一樣可以自愈合，或者可植入體内，或者對温度也擁有良好的感知等功能。

邁出第一步：

模拟人體皮膚的基礎功能

第一步需要完成的内容是模拟人體皮膚的基礎功能，雖然聽起來很簡單，但是科學家們也花了兩年的時間來完成這一步。

首先，科學家們經過調研選取了熱塑性聚氨酯（TPU）作為基底材料，因為 TPU 擁有良好的拉伸性能以及極高的人體相容性。正是這些特性使得 TPU 附着在義肢上面的時候，不會因為運動而撕裂，也不會因為與人體相容性的問題導致不能親膚使用。

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盡管 TPU 已經有了這麼多的優勢，可是科學家們依舊不滿足，想要給它更好的性能。比如，如何在保證 TPU 可拉伸性能的同時提高其韌性？

為此，科學家們研究了 TPU 中非平面環的結構特性。這個結構就像一個彈簧一樣，拉伸的時候會變形，沒有力的時候就可以恢復原來的形狀。将非平面環結構引入 TPU 中可以極大地提高韌性，之後再将 TPU 與離子液體共混，就可以初步得到一種離子皮膚材料，從而感知外界的壓力大小。

非平面環的轉變。圖片來源：參考文獻 [ 5 ]

最基礎的性能問題解決了，我們是不是可以接着提一些更高的要求呢？比如像衝鋒衣一樣，即使被劃傷也不會撕裂（傳説中良好的抗撕裂性能）？如果在這個基礎上，我們可以讓這個傷口再度愈合呢？這樣我們做出來的離子皮膚豈不是更加符合我們的實際使用情況了！

為了将離子皮膚進行優化與完善，科學家們選擇了另一種結構——" 供體 - 受體（Donor-Acceptor ）" 結構。

我們可以簡單地将這種結構理解為兩個有相互作用的微結構，類似于不幹膠，既可以斷開這種結構的連接，也可以在兩個結構靠近的時候重新連接起來。科學家們通過研究發現，這種材料不僅擁有很好的自愈合性能，還有良好的抗撕裂性能。使用這種 TPU 所做的離子皮膚，擁有與 TPU 基體相似的性能。

材料的抗撕裂性能測試。圖片來源：參考文獻 [ 5 ]

到這裏，第一步的研究已經順利完成了。可是科學家們為了給 TPU 賦予更符合實際使用場景的性能，繼續在 TPU 的功能性領網域鑽研。

接續第二步：

提高離子皮膚的感應靈敏度

人體皮膚需要能在高濕度環境下保護我們體内的組織，離子皮膚也應該具有類似的功能。于是科學家們想盡辦法賦予材料高疏水性，但是原有的 " 供體 - 受體 " 結構，在高濕度環境下又無法保持良好的自愈合性能。

這一問題到底該如何解決？自我否定很痛苦，放棄自己的成果更痛苦。可是科學家們還是決定放棄自己先前的研究成果從頭開始：放棄 " 供體 - 受體 " 結構，選用動态鍵作為分子内的 " 不幹膠 "，改變分子側鏈結構來提高疏水性。

終于，科學家們得到了理想的基礎材料。原本到這裏就可以宣布我們的研究結束了，但是科學家們説：" 不，我還要讓它像人的皮膚一樣靈敏。" 于是，他們馬不停蹄地展開了第二步研究計劃。

既然第二步是提高離子皮膚的靈敏性，我們就要知道離子皮膚是如何工作的。在現有的 TPU-IL （離子液體）體系中， TPU 的作用有點像一個雜亂無章的毛線團，離子液體就好像一塊塊小磁鐵藏在毛線團裏。當外部有一個恒定的電場時，離子液體就好像是磁鐵受到吸引，有一個想要從毛線團裏跑出來的力，并且有一小部分會溢出，這個會影響電容數值，在這裏我們稱該現象為初始電容。

當我們擠壓 TPU 的時候，離子液體就會像磁鐵一樣從毛線團中溢出來，更容易被電場所吸引并移動，這裏我們稱其為受壓電容。如果受壓電容與初始電容的差值比較大，那就證明離子皮膚的靈敏度比較強。

TPU-IL 體系探知應力的原理圖。當沒有外力時，離子液體處于 TPU 主鏈之間；受到壓力時，由于鏈間空間減小，離子液體溢出。圖片來源：參考文獻 [ 6 ]

那麼我們該如何提高這個差值？是降低初始電容還是提高受壓電容呢？科學家們選擇了前者。在沒有外力的時候讓這個離子液體不能輕易的從 TPU 中跑出來，而有外力的時候離子液體的溢出不受影響。

在提高離子皮膚靈敏度的研究工作中，中國科學家們受到了外國學者研究的啓發——外國學者提出的 " 抓取 - 釋放（trap-release）" 效應，即 " 抓取 - 釋放 " 效應。這是因為離子液體是含有陰陽離子的，它可以被電負性比較高的基團吸引，這樣在外加電場時離子液體不容易移動，從而降低初始電容。

勇踏第三步：

優化離子皮膚的生產工藝

我們如果将這種效應應用在我們的體系内會怎麼樣呢？要學習國外的三元非均相體系（ TPU-IL 系統中再引入納米二氧化硅顆粒）嘛？三元非均相體系會不會增加工藝復雜程度？答案是肯定的，工藝一定會變得復雜，影響因子變多，過程可控性降低。我們可不可以引入 " 抓取 - 釋放 " 效應，而不引入三元非均相體系，從而解決這些問題呢？

最終科學家們做了一次大膽創新，既保留高靈敏度，也保持原有的二元體系，直接進入第三步優化工藝。這得益于 TPU 結構的多樣性，科學家将電負性較高的氯基團引入到 TPU 的側鏈上，通過氯基團吸引離子液體，降低了初始電容。