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柔软、无疲劳、自我修复的人工离子皮肤
2022年09月11日    阅读量:     新闻来源:中国机器人网 vrovro.com  |  投稿

近年来,全世界的机器人学家和材料科学家一直在尝试创造类似人体部位的人工系统,并复制其功能。这些包括人造皮肤,保护层,也可以增强机器人的感知能力。

中国东华大学的研究人员和J眉德国的lich中子科学中心(JCNS)最近开发了一种新的、极具前景的人造离子皮肤,其基于可自我修复的弹性纳米网,这是一种类似人类皮肤的交织结构。发表在《自然通讯》上的一篇论文介绍了这种人造皮肤,它柔软、无疲劳、自我修复。

“正如我们所知,皮肤是人体最大的器官,它既是一个保护层,又是一个感官界面,以保持我们的身体健康和感知能力,”进行这项研究的研究人员之一孙圣通告诉TechXplore。“随着人工智能和软机器人技术的快速发展,研究人员目前正在尝试给仿人机器人涂上一层‘人造皮肤’,复制人类皮肤的所有机械和感官特性,以便他们也能像我们一样感知不断变化的外部环境。”

由于人类皮肤是一个高度复杂和复杂的系统,模拟其所有功能可能极具挑战性。例如,人类皮肤可以简单地通过接收基于离子的电子信号来感知各种环境变化,包括压力、表面变形和温度变化。

“人的皮肤感觉柔软,但拉伸时会变得非常紧实,”孙说。“皮肤也可以通过完全修复其结构和功能在几天内自然愈合伤口。更重要的是,随着身体运动,每年约有100万次变形周期,皮肤的性能不会退化,表明其具有非常好的抗疲劳性能。”

尽管材料科学家最近设计了几种人造皮肤,也被称为电子皮肤或离子皮肤,但大多数这些系统只能复制皮肤的一部分自然属性。几年来,Sun和他的同事一直在尝试设计更像皮肤、更逼真的材料。

“在进行我们的研究时,我们注意到,皮肤通过分层纳米纤维结构结合了一些有趣的特性,这种结构由嵌入软交织弹性蛋白基质中的刚性胶原纤维支架定义,”Sun说。“这两个阶段不仅在创伤后真皮成纤维细胞的帮助下愈合,而且通过将损伤钉扎在硬胶原纳米纤维上,赋予人类皮肤极高的断裂韧性。”

从皮肤的自然结构中汲取灵感,研究人员开始设计一种基于自修复纳米网和离子基质的新型人造皮肤,它可以分别复制胶原蛋白和弹性蛋白的功能。这导致了一种皮肤状材料,柔软,但拉伸时变硬,这一特性被称为“应变硬化”。此外,它们的人造皮肤在受损后可以自主愈合,抗疲劳,并对形状变形做出快速响应,这对于传感应用尤其理想。

“受皮肤可修复纳米纤维结构的启发,我们通过将可自修复弹性纳米网支架嵌入另一种可自修复软离子基质中,创建了人工离子皮肤,”Sun说。“纳米网是通过静电纺丝我们的合成聚氨酯制成的,它可以在室温下通过二硫键交换自修复。离子基质是通过蒸发聚(丙烯酰胺-丙烯酸)水溶液制成的。”,透明质酸和CaCl2,它们可以在水分的帮助下愈合。由于两种母体材料的可修复性,混合离子皮肤也可以在短时间内修复损伤。”

Sun和他的同事创造的人造皮肤具有独特的弹性和纳米纤维结构,使其高度抗疲劳。更具体地说,其嵌入的聚氨酯纳米纤维可以覆盖较大的力传递长度,从而钝化裂纹并防止其进一步传播。

在初步评估中,人工皮肤系统取得了非常有希望的结果。研究小组发现,即使有预先切割的缺口,混合离子在10000多次拉伸循环中仍保持完整。混合离子皮肤的计算疲劳阈值约为2950 J m-2,几乎是人体肌肉(1000 J m-1)的两倍。

“柔软性和可拉伸性是皮肤感测材料的两个最重要的机械性能,”Sun说。“然而,针对柔软性和延展性的传统材料设计通常会导致低鲁棒性,这不利于离子皮肤的使用寿命。我们通过生产一种混合离子皮肤来解决这一问题,该混合离子皮肤模仿人类皮肤的可修复纳米纤维结构。”

这组研究人员创造的类似皮肤的系统是第一批人造皮肤,不仅柔软、可拉伸,而且可靠地自我修复和抗疲劳。在未来,Sun和他的同事提出的设计可以用于创建基于其他材料组合的其他坚固和离子传导结构。

此外,他们的人造皮肤系统可以帮助开发更耐疲劳、性能更好、不易长期损坏的仿人机器人。尽管团队的离子皮肤迄今为止取得了显著的成果,但它仍有一些明显的局限性,Sun和他的同事们希望最终克服这些局限性。

“因为我们使用吸湿水凝胶作为离子基质,环境稳定性相对较差,尤其是在湿度变化条件下,”Sun补充道。“在非常干燥的环境条件下,离子基质会因失水而变得坚硬,皮肤的自我修复能力也将难以实现。为了克服这一限制,我们现在致力于生产更坚固的离子皮肤,它可以在恶劣条件下可靠地工作,如低温和高温、水下、真空或存在腐蚀性物质。这将对于预计在比人类居住的环境更复杂和更多变的环境中操作的软机器人非常有用。”

漏 2022科学X网络

标签:机器人配件与装备系统及软件行业资讯医用机器人
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