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鄭州大學(xué)毛彥超課題組AFM：基于導(dǎo)電蛋白質(zhì)的水凝膠與生物質(zhì)子皮膚用于人機(jī)融合界面
文章來(lái)源：高分子科學(xué)前沿 更新時(shí)間：2023-01-31 15:16:06
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人機(jī)界面是人機(jī)交互的重要媒介，近年來(lái)受到廣泛的關(guān)注。作為一種可以貼附在皮膚表面的人機(jī)界面，人工皮膚在醫(yī)療監(jiān)測(cè)和個(gè)人電子方面顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＨ斯てつw也有望用于開(kāi)發(fā)新一代的人機(jī)融合界面，然而將人工皮膚和人體組織進(jìn)行融合在很大程度上受到現(xiàn)有人工皮膚與生物組織的材料組分不同的限制。例如，人類的皮膚主要由蛋白質(zhì)、脂類和水等組成，而目前大多數(shù)人工皮膚是由合成聚合物、金屬或碳材料等制成。質(zhì)子導(dǎo)電蛋白質(zhì)具有與人體組織相似的材料組成和生理特性，是作為人工皮膚用于人機(jī)融合界面的一種理想材料，其質(zhì)子導(dǎo)電特征也類似于人體皮膚的傳感機(jī)制。然而，目前的導(dǎo)電蛋白質(zhì)材料存在容易失水的問(wèn)題，這使其質(zhì)子電導(dǎo)率在日常環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的衰退，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。
鄭州大學(xué)毛彥超教授課題組報(bào)道了一種受人體皮膚皮脂膜啟發(fā)的基于蛋白質(zhì)的生物質(zhì)子水凝膠，其具有良好的保水性并用于人工皮膚。具有質(zhì)子導(dǎo)電特性的牛血清白蛋白被用于這種水凝膠當(dāng)中，自然存在于皮膚表面的甘油作為人工皮脂膜被用來(lái)保水。這種水凝膠被用作一種生物質(zhì)子皮膚（B-skin），其具有優(yōu)良的保水性、抗凍性、可拉伸性、透明性和生物降解性，可用于長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量人體電生理信號(hào)以及傳感。基于該生物質(zhì)子皮膚，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了智能機(jī)械人控制系統(tǒng)和藍(lán)牙手機(jī)操控系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)的人工皮膚，這種生物質(zhì)子皮膚由類似于皮膚材料組分的生物材料構(gòu)成，包括蛋白質(zhì)、皮膚自身能夠產(chǎn)生的甘油和水。這種生物質(zhì)子皮膚很有前景用于發(fā)展新一代的人機(jī)融合界面。該研究以“Sebum-Membrane-Inspired Protein-Based Bioprotonic Hydrogel for Artificial Skin and Human-Machine Merging Interface” 為題發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊《Advanced Functional Materials》。
圖1. 受皮脂膜啟發(fā)的基于蛋白質(zhì)的生物質(zhì)子皮膚基本結(jié)構(gòu)
具有質(zhì)子導(dǎo)電特性的牛血清白蛋白被用于生物質(zhì)子水凝膠當(dāng)中，自然存在于皮膚表面的甘油作為人工皮脂膜被用來(lái)保水。這種水凝膠構(gòu)成的生物質(zhì)子皮膚具有良好的透明性、可拉伸性、抗凍性和生物降解性。
圖2. 生物質(zhì)子皮膚的機(jī)械性、抗凍性、保水性和電學(xué)性質(zhì)
分別對(duì)生物質(zhì)子皮膚的機(jī)械性、抗凍性、保水性和電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試。其最大伸長(zhǎng)量可以達(dá)到約400%，即使在-20℃的溫度下其仍然保持良好的拉伸性。生物質(zhì)子皮膚表現(xiàn)出優(yōu)良的長(zhǎng)時(shí)間保水性。在不同環(huán)境條件下，生物質(zhì)子皮膚的電化學(xué)阻抗測(cè)試。
圖3. 生物質(zhì)子皮膚用于測(cè)量電生理信號(hào)
具有良好導(dǎo)電性和拉伸性的生物質(zhì)子皮膚被用于采集人體電生理信號(hào)。貼附在人體的相應(yīng)部位獲取不同的電生理信號(hào)，包括腦電(EEG)、心電(ECG)和肌電(EMG)，并且可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間或低溫下的信號(hào)采集。
圖4. 生物質(zhì)子皮膚應(yīng)用于智能機(jī)器人操控和手機(jī)控制系統(tǒng)
基于這種生物質(zhì)子皮膚的電生理信號(hào)采集能力，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了一種智能機(jī)械人控制系統(tǒng)。通過(guò)采集人體手臂伸直和彎曲的肌電圖信號(hào)可以相應(yīng)地控制機(jī)器人。利用生物質(zhì)子皮膚的傳感性能，開(kāi)發(fā)了一種智能藍(lán)牙手機(jī)操控系統(tǒng)，可以用來(lái)控制音樂(lè)播放。這種生物質(zhì)子皮膚在智能機(jī)器人和個(gè)人電子方面的具有著廣闊的應(yīng)用前景。 |
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