【前沿報導】
我們皮膚中受體的範圍使我們可以在觸摸物體時進行感應，並且還可以使我們大致了解該物體的溫度。在人造皮膚樣材料中實現這一點一直是一個挑戰，因為大多數觸摸感測方法本身都是溫度敏感的。You等人研究了導電彈性膜中的離子弛豫動力學。他們表明，離子弛豫時間可以用作檢測溫度的不敏感應變的本徵變量，而電容可以用作檢測應變的不敏感溫度的外在變量，從而將二者去耦，從而使它們的信號不會干擾彼此。
【科研摘要】
人體皮膚具有不同類型的觸覺受體，可以將各種機械刺激與溫度區分開。浦項科技大學Unyong Jeong和史丹福大學優秀華人鮑哲南教授團隊提出了一種可變形的人工多峰離子受體，可以區分熱和機械信息而沒有信號幹擾。從離子弛豫動力學的分析中得出了兩個變量：電荷弛豫時間作為不敏感的固有變量來測量絕對溫度，而歸一化電容作為對溫度不敏感的外部變量來衡量應變。具有簡單電極-電解質-電極結構的人工受體可以通過僅在兩個測量頻率下測量變量來同時檢測溫度和應變。類似於人皮膚的多峰受體陣列，稱為多峰離子電子皮膚（IEM-skin），可在各種觸覺運動（剪切，收縮，張開，扭轉等）中提供實時的力方向和應變曲線。相關論文Artificial multimodal receptors based on ion relaxation dynamics發表在11月《Science》上。
【圖文解析】
人體皮膚體感系統的受體由離子導體組成，其操作基於離子動力學。真皮中大量熱感受器和機械感受器在空間上分布。因此，在皮膚上的應變和溫度的空間分布可以被獨特地感知到（圖1A）。離子受體的粘彈性變形能力在大剪切應變下保持穩定的電信號。此外，皺紋的形成是一種通過各種刺激（壓力，剪切，擠壓，扭轉及其組合）可視化皮膚的三維（3D）變形的方式。例如，皺紋出現在皮膚的壓縮區域，而另一側的區域被拉伸（圖1B）。溫度感測對觸覺和監測身體的生理變化很重要。由於3D變形會產生複雜的應力場，因此，對接觸和應變的空間分布進行實時採集對於理解皮膚感覺系統的感知至關重要。
圖1AMI受體的概念。
作者探索了可變形離子導體的離子弛豫動力學，並製造了一種人工多峰離子受體（AMI受體）。在非法拉第離子導體中，離子的遷移和極化發生在施加的交流電（ac）場下。離子導體的電性能取決於測量頻率。離子遷移或極化分別在低頻或高頻下佔主導地位（圖1C）。圖1D顯示了機械拉伸下Bode圖的變化。整個阻抗曲線向下移動，因為來自R和C的阻抗會隨著拉伸而減小。但是，由固有變量（σ，）組成的τ-1不會隨著拉伸而變化，因為尺寸參數會相互抵消。圖1E顯示了加熱條件下波特圖的變化。R由於加熱而向下移動，並且τ-1移至更高的頻率。由於離子電導率的溫度敏感性比介電常數高，因此平坦區域的降檔遠大於對角線區域的降檔。圖1F給出了熱機械去耦的原理。弛豫時間可以用作對應變不敏感的固有變量，以檢測溫度而無需傳感器的幾何信息。
將離子導體1-乙基-3-甲基咪唑雙（三氟甲基磺醯基）醯亞胺（EMIM TFSI）旋塗（厚度為5μm）在由Ag納米線和熱塑性嵌段共聚物，聚苯乙烯嵌段製成的可拉伸複合電極膜上-聚（乙烯丁烯-嵌段-聚苯乙烯（SEBS）。通過堆疊兩個多層，將離子導體層夾在兩個電極之間。由於薄的粘彈性層之間的保形接觸，多層具有良好的粘附性。在20°C下測量具有各種離子濃度（1至50 wt％）的離子導體的波特圖（圖2A）。
圖2AMI受體的特性及其對加熱和拉伸的響應。
作者將目標溫度感應設置在體溫（20°至50°C）附近。圖2B給出了在各種溫度下離子導體（5％重量）的波特圖。圖2C顯示了σ的溫度依賴性，和。σ的靈敏度是相對的100倍。圖2D顯示使用ln（τ）作為不敏感應變的變量來檢測溫度。在不同應變（ε= 0、30、50％）下測得的所有曲線均落入主曲線，表明τ不受尺寸變化的影響。圖2E顯示了使用C / Co作為對溫度不敏感的外在應變的應變感應變量。在不同溫度下，C / Co對單軸應變的所有曲線均落入主曲線；因此，可以從曲線擬合方程中計算出應變。通過多次測試證實了實時多峰傳感，首先，我們將AMI受體附著在頸靜脈上方的皮膚上並進行了監測，從而證實了C / Co對拉伸的響應在不同應變的重複拉伸過程中是可再現的（圖2F）。飲酒前後的體溫（圖2G）。為了檢查接觸（壓力）時的熱機械解耦，將熱的（45°C）玻璃棒反覆壓在AMI受體上，該受體放置在厚而柔軟的彈性體上基板（圖2H）。
作者用10×10 AMI受體陣列製作了多峰離子電子皮膚（IEM皮膚），並將其放在假人手上（圖3，A和B）。離子導體膜被夾在圖案化電極之間。通過在IEM皮膚和底部彈性體基底之間插入低摩擦界面來模擬薄皮膚的機械行為，以實現3D變形。通過在底部基板上摩擦二氧化矽粉（或嬰兒粉）來製作界面。用矽粘合劑將IEM蒙皮的邊緣和底部基板粘合在一起。接觸點通過IEM皮膚中的溫度曲線識別。當在IEM皮膚上施加剪應力時，接觸點的前部會產生皺紋，而接觸點的後部會被拉伸（圖3C）。
圖3IEM蒙皮的結構和對單向剪切力的響應
作者將剪切分析擴展到了多種剪切運動（捏，張開，調整，剪切和觸摸）（圖4A）。對於每個運動，都會顯示相應的IEM皮膚溫度和應變曲線。擴展運動在同一條線上具有相反的剪切方向，並且應變分布在接觸區域之間。調整運動顯示了彼此相反的剪切方向。當剪切與觸摸結合時，剪切方向和觸摸都被檢測到。對完全伸展區域上的附加接觸的這種認識意味著，溫度感測將在真實皮膚的觸覺感知中發揮重要作用。在基於剪切的運動中，接觸區域的數量等於或大於拉伸區域的數量。扭轉會產生更複雜的應變場和皺紋。圖4B顯示了逆時針方向的扭轉和相應的應變分析。溫度曲線的接觸區域投影在應變曲線中。
圖4多重應力和扭轉下的複雜應變場
參考文獻：
Science 20 Nov 2020:
Vol. 370, Issue 6519, pp. 961-965
DOI: 10.1126/science.aba5132
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