3D打印電子皮膚為人機交互帶來新進展

南極熊導(dǎo)讀：人類皮膚擁有1000多個神經(jīng)末梢，是大腦與外界最大的感官連接，通過觸覺、溫度和壓力提供豐富的反饋。盡管這些復(fù)雜的特征使皮膚成為一個重要的器官，但也帶來了復(fù)制的挑戰(zhàn)。

2024年1月29日，南極熊獲悉，德克薩斯農(nóng)工大學(xué)（TAMU）的研究人員利用具備可調(diào)節(jié)電子和熱生物傳感功能的納米工程水凝膠，成功開發(fā)了一種3D打印的電子皮膚（E-skin）。這種電子皮膚能夠像人類皮膚一樣自由彎曲、伸展，并且具備感知功能。

生物醫(yī)學(xué)工程系教授兼研究主任Akhilesh Gaharwar博士表示：“復(fù)制觸覺并將其集成到各種技術(shù)中的能力，為人機交互和高級感官體驗開辟了新的可能性，這有望徹底改變行業(yè)并提高殘疾人的生活質(zhì)量。”

該論文的主要作者是博士Gaharwar的前學(xué)生、現(xiàn)任Axent Biosciences科學(xué)家Kaivalya Deo，以及Gaharwar實驗室的前Fulbright Nehru博士研究員Shounak Roy。

△3D打印電子皮膚技術(shù)由加哈瓦爾博士的實驗室開發(fā)，已發(fā)表在《先進功能材料》，題目為“用于應(yīng)變、壓力和溫度傳感的3D打印電子皮膚”（傳送門）

仿制人類皮膚缺乏足夠的彈性和柔軟性

電子皮膚的制造面臨著一個挑戰(zhàn)，即開發(fā)出既耐用又能模仿人類皮膚靈活性、包含生物電傳感功能，并適用于可穿戴或可植入設(shè)備的材料。Deo表示：“過去，這些系統(tǒng)的剛度對于我們的身體組織來說太高，阻礙了信號轉(zhuǎn)導(dǎo)并在生物-非生物界面上造成機械失配。” 研究人員通過在基于水凝膠的系統(tǒng)中引入“三重交聯(lián)”策略，成功解決了柔性生物電子學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵限制之一。

△納米工程水凝膠的導(dǎo)電性及其作為動態(tài)傳感應(yīng)變和壓力的電子皮膚的應(yīng)用

納米工程水凝膠的使用解決了在3D打印電子皮膚過程中的一些挑戰(zhàn)。水凝膠能夠在電子皮膚創(chuàng)建過程中降低剪切應(yīng)力下的粘度，使其更容易處理和操作。該團隊表示，這一功能有助于構(gòu)建復(fù)雜的2D和3D電子結(jié)構(gòu)，這是復(fù)制人類皮膚多面性的一個重要方面。

研究人員還利用二硫化鉬納米組件中的“原子缺陷”（一種原子結(jié)構(gòu)中含有缺陷的材料，可實現(xiàn)高導(dǎo)電性）和聚多巴胺納米顆粒來，幫助電子皮膚粘附在濕組織上。

△交聯(lián)Pul-SH/PDA/MoS2水凝膠的物理化學(xué)表征

Roy解釋道：“這些專門設(shè)計的二硫化鉬納米顆粒充當交聯(lián)劑，形成水凝膠，并賦予電子皮膚導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。我們是第一個報道使用它作為關(guān)鍵成分的人，該材料粘附濕組織的能力對于潛在的醫(yī)療保健應(yīng)用尤其重要，因為電子皮膚需要順應(yīng)并粘附到動態(tài)、潮濕的生物表面。”

其他合作者包括德克薩斯農(nóng)工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系Limei Tian博士小組的研究人員和印度曼迪理工學(xué)院的Amit Jaiswal博士。

電子皮膚未來的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括可連續(xù)監(jiān)測運動、體溫、心率和血壓等生命體征的可穿戴健康設(shè)備。這些設(shè)備將向用戶提供反饋，并協(xié)助他們提高運動技能和協(xié)調(diào)性。