研究者们研制出一种灵敏的柔性机械力传感器，可能应用到生物医学感觉和人造皮肤技术。如图，互锁层（左）和纳米纤维(右)的扫描电子显微镜图像
人造皮肤技术的下一步发展可将其灵感归功于甲壳虫翅膀。研究者试图研制出一种柔性传感器，能像甲壳虫休息时翅膀上互锁的微毛发所触发的皮肤感知触碰一样检测到机械压力。“你可以想象得到，在互锁中会发生一个大的界面接触，这是一个灵敏的传感器的优秀特点。”首尔大学首席研究员卡帕·杨·苏（Kahp Yang Suh）在邮件中写道。因为接触到这么多表面区域，一个依赖于纳米纤维连接的传感器甚至能检测到改变纤维相对位置的极小扰动。
苏和他的同事们决定照搬甲壳虫翅膀的设计，建立两个纳米纤维阵列，铺在柔性的硅高分子材料之上，并在其表面涂一层很薄的白金涂层。结果是产生了一个互锁的白金涂层的纤维感知系统，在这里，机械变形对纤维电阻的改变能用万用表测量出来。
研究者们通过弹起水珠然后检测心跳来测试他们的传感器的灵敏性。“它代表了一些新的聪明的想法，能把一类高性能的触觉传感器设计成薄而柔性的样式，可以与皮肤表面直接融合。”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一位材料科学家约翰·罗杰斯（John Rogers）在邮件中这样告诉《科学家》杂志，虽然他并没有参与这项研究。凭着其像皮肤一样的结构，这个新器件在长期耐用的健康监视器、能像真皮肤一样感觉到环境的假肢和机械手的皮肤研发方面都有应用前景。
创新之处
它不是一个单一感觉的器件：像皮肤一样，这个新的传感器能检测到多重的机械扰动。“他们的器件能感觉到剪切和扭转，而大多数其他传感器很难做到这一点。”斯坦福大学的鲍哲南（Zhenan Bao）在一封电子邮件中写道。这个互锁的纳米纤维传感器除了展示出比其他类型传感器的高灵敏度之外，还能够检测压力，苏说。
此外，“这种传感器的机制还与我所知道的其他触觉传感器有一点不同。”罗杰斯指出，例如，鲍哲南发明的电子皮肤，为把压力转化成导电性的改变，使用了仅仅一层纳米纤维。其他器件使用可变形的薄膜或者人造橡胶，它们会以储存电荷能力的改变来回应机械受力；或者使用可拉伸的橡胶导体，其电阻会随所受的外界扰动而改变；或者使用由机械受力产生输出电压或输出电流的原件，罗杰斯解释道，“现在的这个产品提供了一个新的选择，看起来能够有显著的灵敏度，但设计又相对简单。”
酷似真的皮肤一样对刺激做出反应的柔性传感器有广泛的应用前景，苏解释说，其应用包括生物医学传感器、人造皮肤和柔性的显示屏，如高灵敏度的触摸屏。苏的传感器对不同类型的压力产生不同的信号这个事实“很重要，因为这非常类似于我们皮肤真正的感觉机制，所以我们的传感器对未来的皮肤电子器
件将非常有用。”他写道。
“这对于一个新兴的研究领域是一个重大的贡献，这个研究领域里材料和器件发展成柔软的形式，能自然地与人体交互，在健康监视、医院的卫生保健等方面有各种应用。”罗杰斯补充道。例如，苏和他的同事们在他们的手腕上戴上这个器件就能够测量他们的心跳。
这项技术也更进一步接近了那种能融合到义肢系统中而对真实世界的感觉信息作出反馈的传感器。
电路的电子器件需要更精细，苏解释道，“我们需要一个更好的电路网络来处理和发射某种得施加到表面物理信号。”但是测量、处理和显示信号的安装程序很庞大，需要微型化。此外，鲍哲南说，一个基于电阻的传感器可能不如其他类型的传感器那么容易融合到电子线路中。
而且，尽管这项技术很有前景，皮肤感觉的其他方面还有待在传感器中捕捉到，苏承认。研制出一种显示出疲劳或者当一个信号持续运用时灵敏度降低的传感器，将模拟真皮肤是如何工作的。感觉压力只是广泛的各种感觉功能中的一种，其他还有温度、化学的或者张力的感觉，“如果我们的目标是再造或者提高真皮肤的各种功能的话，那么，我们最终需要将这些感觉也整合到一个多功能的系统中。”罗杰斯补充道。
资料来源 The Scientist
责任编辑 彦 隐