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上科大凌盛杰《Adv. Funct. Mater.》：雙物理交聯(lián)絲素離子彈性體構(gòu)建運(yùn)動(dòng)和觸覺感受器
2023-04-08  來源：高分子科技

  未來，我們生活中的大部分工作將會被機(jī)器人取代。這些機(jī)器人不應(yīng)只是冰冷的鋼鐵機(jī)器，而是表面可覆蓋有與人體皮膚類似的材料，具備感知運(yùn)動(dòng)信息并識別所接觸的物體的能力，反饋給機(jī)器人做出相應(yīng)的動(dòng)作處理，就像人類的雙手一樣。人工運(yùn)動(dòng)和觸覺感受器（Artificial motion and tactile receptor, AMTR）是一種能夠?qū)崟r(shí)感知物體運(yùn)動(dòng)和識別不同材料的智能平臺，是交互式人機(jī)界面的推動(dòng)者。目前亟需開發(fā)一類有效模仿人體皮膚的組成、結(jié)構(gòu)、力學(xué)和多功能性的AMTR。


  近期，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的凌盛杰課題組開發(fā)了一種基于絲素蛋白的離子彈性體（Silk Fibroin Ionoelastomer, SFIE），可以模仿人類皮膚的組成和功能。通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能集成的策略，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，他們將SFIE集成到機(jī)器人的手指上，SFIE- AMTR能夠感知運(yùn)動(dòng)并準(zhǔn)確分類不同材質(zhì)的物體。在智能分揀、軟體機(jī)器人和虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。


  具體而言，通過吸濕誘導(dǎo)無定形的絲素蛋白離子導(dǎo)體（Silk Fibroin Ionotronics, SFI）的受控結(jié)晶來制備SFIE。SFIE由密集的分子纏結(jié)與稀疏、均勻分散的納米晶交聯(lián)組成的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中，密集的纏結(jié)使張力能夠在聚合物鏈中沿其長度方向傳遞到其他分子鏈，同時(shí)，稀疏的納米晶交聯(lián)阻止了聚合物鏈的解開。（圖1）得益于這種雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，SFIE很好地平衡了拉伸性、抗拉強(qiáng)度和彈性。與SFI相比，SFIE在保持了良好的可拉伸性的同時(shí)（拉伸超過自身長度的12倍而不發(fā)生破裂），楊氏模量提高了17倍，力學(xué)滯后約為25%。此外，SFIE的真應(yīng)力-伸長率曲線呈現(xiàn)指數(shù)級增長，顯示出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，這是皮膚等軟生物彈性體的典型特征。（圖2） 


圖1 SFIE的結(jié)構(gòu)表征 a）吸濕誘導(dǎo)過程中 SFI 的時(shí)間分辨傅里葉變換紅外光譜b）SFIE的交聯(lián)結(jié)構(gòu)c）SFIE的紅外光譜中酰胺I峰的分峰結(jié)果d）SFIE的廣角X射線散射圖e）β折疊以及對應(yīng)晶胞的尺寸 f）SFIE的廣角X射線散射分峰結(jié)果。 


圖2 SFIE的力學(xué)性能 a）SFIE的透明性展示b）SFIE 的強(qiáng)度展示c）SFIE和SFI的真應(yīng)力-伸長率曲線（左）和鏈結(jié)構(gòu)（右）d）SFIE的楊氏模量和韌性與其他代表性軟材料的對比。e）SFIE的楊氏模量和失效應(yīng)變與其他軟材料和天然生物材料的對比。f）SFIE 彈性的展示，鏈結(jié)構(gòu)變化的示意圖（上）g）SFIE的循環(huán)拉伸曲線 h）SFIE在一個(gè)周期內(nèi)的小角X射線散射圖。


  在功能設(shè)計(jì)方面，作者使用與SFIE具有類似力學(xué)性能的VHB膠帶（由聚丙烯酸酯構(gòu)成）對SFIE進(jìn)行封裝，構(gòu)建SFIE-AMTR。得益于SFIE良好的力學(xué)性能以及導(dǎo)電性，SFIE-AMTR具有靈敏的機(jī)電響應(yīng)性（即其電阻隨應(yīng)變線性變化），可以實(shí)現(xiàn)對人體各種運(yùn)動(dòng)器官遭受的大部分變形的精確監(jiān)測，包括手指、手腕、手肘以及膝蓋，應(yīng)變范圍從0%到100%。（圖3）此外，當(dāng)SFIE-AMTR與其他物體接觸-分離時(shí)，會產(chǎn)生可重復(fù)的摩擦電信號。由于不同物體的電負(fù)性差異，其與SFIE-AMTR產(chǎn)生的摩擦電信號也會存在細(xì)微差異。利用這一特點(diǎn)，他們使用機(jī)器學(xué)習(xí)分析信號中微小而復(fù)雜的特征，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對不同材質(zhì)小球的識別與抓取分類。在600余次識別和分選測試中，成功率達(dá)92.3%，表明SFIE-AMTR在分揀機(jī)器人等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。 


圖3 SFIE-AMTR對人體運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測 a）SFIE相對于拉伸變形的阻力變化 b）SFIE-AMTR實(shí)時(shí)監(jiān)測人體各種運(yùn)動(dòng)器官的運(yùn)動(dòng)的示意圖c）SFIE-AMTR 對手指彎曲的檢測 d）SFIE-AMTR對手勢的檢測 e）SFIE-AMTR對膝蓋彎曲的檢測 f）SFIE-AMTR對手腕彎曲的檢測 g）SFIE-AMTR對手肘彎曲的檢測。


  該工作以“An Artificial Motion and Tactile Receptor Constructed by Hyperelastic Double Physically Cross-Linked Silk Fibroin Ionoelastomer”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。上？萍即髮W(xué)曹雷濤博士、鹽城工學(xué)院講師葉超博士與上？萍即髮W(xué)碩士研究生張豪為本論文的共同第一作者。

 

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202301404

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