機械敏感離子通道在觸覺感受器中的關鍵作用機制

柔性傳感器具有柔性輕薄、易于集成、便于穿戴等技術優(yōu)勢，可適形貼附在人體、機器人或者裝備表面進行狀態(tài)參數(shù)感知，廣泛應用于智能穿戴、醫(yī)療康復、人機交互等領域，是我國重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。國內(nèi)外學者圍繞柔性傳感開展了大量的研究工作，目前開發(fā)的柔性傳感器大多基于壓電式、電阻式、電容式等傳感原理，探索新的傳感模式對于推動柔性傳感器的創(chuàng)新設計和技術革新至關重要。

2021年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予Ardem Patapoutian教授發(fā)現(xiàn)新的機械敏感離子通道，并揭示了其在觸覺感受器中的關鍵作用機制。機械門控離子通道位于細胞膜上的機械力受體，它能夠被擠壓、拉伸、流體剪切力等不同形式的機械力激活并拉動離子通道打開，使細胞外陽離子涌入細胞內(nèi)，從而形成生理電信號，實現(xiàn)細胞膜表面應力變化的高靈敏感知。生物體觸覺細胞的高靈敏感應機制為仿生電子皮膚的設計提供了創(chuàng)新思路。

受生物組織細胞膜上的機械門控離子通道啟發(fā)，西安交通大學邵金友、陳小亮團隊提出了仿生“門控傳感”新模式。該團隊通過應變分布調(diào)控策略在鑲嵌式導電通路內(nèi)定域生成電子門控結構，開發(fā)了高靈敏度、快響應、高穩(wěn)定的機器人滑覺皮膚，如圖1所示。機器人滑覺皮膚表面的微金字塔陣列可模仿皮膚指紋結構與物體表面進行滑動交互，將動態(tài)應變傳遞至機械門控感知結構實現(xiàn)導電通路的開閉切換，從而將觸覺信息編碼為電信號。嵌入式網(wǎng)格化的導電通路設計有效增強了電子門的局部應變，提升感知靈敏度；同時削弱傳導路徑的應變，抑制敏感材料裂紋產(chǎn)生，實現(xiàn)仿生滑覺皮膚靈敏度和穩(wěn)定性的協(xié)同增強。該滑覺皮膚能夠靈巧識別復雜結構件表面紋理，例如，對機械加工部件的粗糙度的辨識度優(yōu)于Ra 0.8，能夠直接識別5mm線寬的精細表面紋理，響應頻率達485Hz，為目前相關領域報道的最優(yōu)值，在機器人智能識別和交互反饋方面具有廣闊的應用前景。

圖1 仿生機器人滑覺皮膚

此外，該團隊將“仿生門控”傳感新模式應用于柔性應變傳感領域，通過應變驅(qū)動微結構門控開關實現(xiàn)離子導電通道開合，開發(fā)了可編程門控流體應變傳感器，如圖2所示。將離散微柱陣列構建的門控結構分布在微流道內(nèi)，與填充在門控間隙內(nèi)的離子液體形成門控流體式應變結構，利用泊松效應引發(fā)的非均勻變形驅(qū)動門控結構打開和閉合，獲得了高達上萬的應變系數(shù)（GF最大值45300）、大拉伸能力（>500%）以及長時間傳感的穩(wěn)定性與可靠性（拉伸循環(huán)超過80000次），應變傳感器的靈敏度和測量范圍可以通過門控結構的參數(shù)設計按需調(diào)控，從而獲得傳感大量程與高靈敏的匹配。以此開發(fā)的柔性可穿戴應變傳感器實現(xiàn)了人體微小脈搏、發(fā)聲等生理信號以及大幅肢體運動姿態(tài)等全范圍的人體活動監(jiān)測，在可穿戴醫(yī)療康復領域具有重要應用前景。

圖2 仿生門控流體應變傳感器

上述研究工作由西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室、前沿科學技術研究院、中國航發(fā)渦輪院、西安交通大學第一附屬醫(yī)院組成的學科交叉、校企聯(lián)合團隊合作完成。

審核編輯：郭婷