自我修复的电子皮肤层在被切割时会自动重新排列

人类的皮肤是惊人的。它能感知温度、压力和质地。它能够一次又一次地伸展和弹回。它在身体和世界上有害的东西——细菌、病毒、毒素、紫外线辐射等等之间提供了一道屏障。因此，工程师们热衷于创造合成皮肤。他们想象机器人和假肢具有类似皮肤的特性——其中最重要的是皮肤具有非凡的愈合能力。

“我们已经实现了我们认为是在愈合过程中自动重新排列的多层薄膜传感器的首次演示。这是模仿人类皮肤的关键一步，人类皮肤有多层，在愈合过程中都会正确地重新组装，”Chris Cooper 博士说。斯坦福大学的候选人，他与博士后研究员萨姆·鲁特 (Sam Root) 一起，是《科学》杂志一项新研究的合著者，宣布了这一进展。

分层对于模仿皮肤的许多特性至关重要。“它柔软且有弹性。但如果你刺破它、切片或切割它——每一层都会有选择地自我修复以恢复整体功能，”Root 说。“就像真正的皮肤一样。”

皮肤也是由层构成的。它刚刚进化出免疫机制，通过涉及分子识别和信号传导的复杂过程重建具有原始分层结构的组织。

“有了真正的'皮肤'，层应该自然而自主地重新排列，”库珀说。

Root 说，由斯坦福大学Zhenan Bao教授领导的团队可能能够制造出多层合成皮肤，每个功能层的厚度只有 1 微米，甚至更薄。足够薄，10 层或更多层的堆叠不会比一张纸厚。“一层可能会感觉到压力、另一种温度和另一种张力，”Root 说。不同层的材料可以设计为感应热、机械或电气变化。

一种新颖的方法

“我们在 2012 年的Nature Nanotechnology中报道了第一个多层自愈合成电子皮肤，”Bao 说。“从那时起，全世界都对追求多层合成皮肤产生了浓厚的兴趣。” 他们目前的工作与众不同之处在于，这些层在愈合过程中会自我识别并与同类层对齐，并在愈合时逐层恢复功能。现有的自我修复合成皮肤必须由人类手动重新排列。即使层中有轻微的错位也可能会影响功能恢复。

秘诀在于材料。每层的主链由通过动态氢键周期性连接的长分子链组成，类似于将 DNA 链的双螺旋连接在一起的分子链，这使得材料可以反复拉伸而不会撕裂。橡胶和乳胶是两种众所周知的天然聚合物，但也有无数种合成聚合物。关键是设计聚合物分子结构并为每一层选择正确的组合——第一层是一种聚合物，第二层是另一种，依此类推。

研究人员使用了 PPG(聚丙二醇)和 PDMS(聚二甲基硅氧烷，俗称硅胶)。两者都具有类似橡胶的电气和机械性能以及生物相容性，并且可以与纳米或微粒混合以实现导电性。至关重要的是，所选择的聚合物和它们各自的复合材料是不混溶的——它们还没有相互混合，由于氢键，它们很好地相互粘附，形成了一种耐用的多层材料。

这两种聚合物都具有加热时会软化和流动，但冷却时会凝固的优点。因此，通过加热合成皮肤，研究人员能够加速愈合过程。在室温下，愈合可能需要长达一周的时间，但当加热到仅 70°C (158°F) 时，自我调整和愈合会在大约 24 小时内发生。这两种材料经过精心设计，在适当的温度范围内对外部应力具有相似的粘性和弹性响应。

“皮肤愈合也很慢。前几天我割伤了手指，四五天后它还在愈合，”Cooper 说。“对我们来说，最重要的部分是无需我们的投入或努力就能恢复功能。”

更进一步

凭借成功的原型，研究人员随后更进一步，与斯坦福大学的 Renee Zhao 教授合作，在聚合物层中添加磁性材料，使合成皮肤不仅可以愈合，还可以从不同的部分自行组装。“结合磁场引导导航和感应加热，”Zhao 说，“我们可以构建可重构的软体机器人，它们可以根据需要改变形状并感知它们的变形。” (观看视频。)

“我们的长期愿景是创造可以从极端损坏中恢复的设备。例如，想象一个设备，当它被撕成碎片并被撕开时，可以自主重建自己，”Cooper 说，并展示了几块浸入水中的分层合成皮肤的短视频。磁力吸引在一起，碎片彼此靠近，最终重新组装。当它们愈合时，它们的导电性会恢复，并且附在材料顶部的 LED 会发光以证明这一点。

在接下来的步骤中，研究人员将努力使这些层尽可能薄，并创造出具有不同功能的层。目前的原型被设计用来感应压力，并且可以包括额外的层来感应温度或应变的变化。

就未来愿景而言，该团队设想，机器人可能会被分成几块被吞下，然后在体内自行组装以进行无创医疗。其他应用包括多感官、自我修复的电子皮肤，它们适合机器人并为它们提供触觉。