开发更好的离子皮肤水凝胶传感器，为更广阔的健康监测前景
Madden 博说，2019 年智能皮肤市场估计为 45 亿美元，并且还在继续增长。“智能皮肤可以集成到衣服中或直接放在皮肤上，而离子皮肤是可以促进这种增长的技术之一。”
人体体感网络依靠离子电流来感知、传输和处理触觉信息。我们研究了类似地将压力转换为离子电流的水凝胶，从而形成压电皮肤。与快速和慢速适应的机械感受器一样，压电电流的持续时间可以变化很大，从几毫秒到几百秒不等。这些电流被证明会引发直接的神经调节和肌肉兴奋，这表明了通往仿生感觉界面的道路。
研究人员使用果冻甜点来演示离子如何在水凝胶中移动。
在寻求构建模仿天然皮肤感知能力的智能皮肤的过程中，离子皮肤已显示出显着的优势。它们由灵活的、生物相容的水凝胶制成，使用离子来携带电荷。与由塑料和金属制成的智能皮肤相比，水凝胶具有天然皮肤的柔软性。这为它们所安装的假肢或机器人手提供了更自然的感觉，并使它们佩戴舒适。
这些水凝胶在被触碰时会产生电压，但科学家们并不清楚是如何产生电压的——直到 UBC 的一组研究人员设计了一项独特的实验，该实验今天发表在《科学》杂志上。
“水凝胶传感器的工作原理是它们产生电压和电流以对压力或触摸等刺激做出反应——我们称之为压电效应。但我们并不确切知道这些电压是如何产生的，”该研究的主要作者 Yuta 说Dobashi，他作为 UBC 生物医学工程硕士学位的一部分开始了这项工作。
在 UBC 研究员设计了水凝胶传感器，其中包含不同大小的正离子和负离子的盐。他和 UBC 物理和化学系的合作者应用磁场来精确跟踪当向传感器施加压力时离子是如何移动的。
“当对凝胶施加压力时，该压力会以不同的速度分散液体中的离子，从而产生电信号。通常较小的正离子比较大的负离子移动得更快。这会导致离子不均匀产生电场的分布，这就是压电传感器工作的原因。”
研究人员说，这一新知识证实了水凝胶的工作方式与人类检测压力的方式相似，这也是通过移动离子来响应压力，激发了离子皮肤的潜在新应用。
“显而易见的应用是制造直接与细胞和神经系统相互作用的传感器，因为电压、电流和响应时间就像跨细胞膜的那些，”UBC 应用科学学院电气和计算机工程教授 Madden 博士说. “当我们将传感器连接到神经时，它会在神经中产生信号。反过来，神经会激活肌肉收缩。”
照片显示连接到假肢的水凝胶传感器。当向传感器施加压力时，它会提示手臂移动。
“你可以想象一个覆盖着离子皮肤的假肢。皮肤通过触摸或压力感知物体，通过神经将信息传递给大脑，然后大脑激活提升或握住物体所需的马达。进一步传感器皮肤和神经接口的开发，这种仿生接口是可以想象的。”
另一个应用是佩戴在皮肤上的软水凝胶传感器，它可以监测患者的生命体征，同时完全不显眼并自行发电。
Dobashi，目前正在完成他的博士学位。在多伦多大学工作，毕业后热衷于继续研究离子技术。
“我们可以想象未来将果冻状的‘离子电子学’用于身体植入。可以植入人工关节，而不必担心在人体内被排斥。离子设备可以用作人工膝关节软骨的一部分，增加智能感应元素。例如，压电凝胶植入物可能会根据它感觉到的压力释放药物。