3D打印電子皮膚為人機交互帶來新進展

南極熊導讀：人類皮膚擁有1000多個神經末梢，是大腦與外界最大的感官連接，通過觸覺、溫度和壓力提供豐富的反饋。盡管這些復雜的特征使皮膚成為一個重要的器官，但也帶來了復制的挑戰(zhàn)。

2024年1月29日，南極熊獲悉，德克薩斯農工大學（TAMU）的研究人員利用具備可調節(jié)電子和熱生物傳感功能的納米工程水凝膠，成功開發(fā)了一種3D打印的電子皮膚（E-skin）。這種電子皮膚能夠像人類皮膚一樣自由彎曲、伸展，并且具備感知功能。

生物醫(yī)學工程系教授兼研究主任Akhilesh Gaharwar博士表示：“復制觸覺并將其集成到各種技術中的能力，為人機交互和高級感官體驗開辟了新的可能性，這有望徹底改變行業(yè)并提高殘疾人的生活質量�！�

該論文的主要作者是博士Gaharwar的前學生、現(xiàn)任Axent Biosciences科學家Kaivalya Deo，以及Gaharwar實驗室的前Fulbright Nehru博士研究員Shounak Roy。

△3D打印電子皮膚技術由加哈瓦爾博士的實驗室開發(fā)，已發(fā)表在《先進功能材料》，題目為“用于應變、壓力和溫度傳感的3D打印電子皮膚”（傳送門）

仿制人類皮膚缺乏足夠的彈性和柔軟性

電子皮膚的制造面臨著一個挑戰(zhàn)，即開發(fā)出既耐用又能模仿人類皮膚靈活性、包含生物電傳感功能，并適用于可穿戴或可植入設備的材料。Deo表示：“過去，這些系統(tǒng)的剛度對于我們的身體組織來說太高，阻礙了信號轉導并在生物-非生物界面上造成機械失配�！� 研究人員通過在基于水凝膠的系統(tǒng)中引入“三重交聯(lián)”策略，成功解決了柔性生物電子學領域的關鍵限制之一。

△納米工程水凝膠的導電性及其作為動態(tài)傳感應變和壓力的電子皮膚的應用

納米工程水凝膠的使用解決了在3D打印電子皮膚過程中的一些挑戰(zhàn)。水凝膠能夠在電子皮膚創(chuàng)建過程中降低剪切應力下的粘度，使其更容易處理和操作。該團隊表示，這一功能有助于構建復雜的2D和3D電子結構，這是復制人類皮膚多面性的一個重要方面。

研究人員還利用二硫化鉬納米組件中的“原子缺陷”（一種原子結構中含有缺陷的材料，可實現(xiàn)高導電性）和聚多巴胺納米顆粒來，幫助電子皮膚粘附在濕組織上。

△交聯(lián)Pul-SH/PDA/MoS2水凝膠的物理化學表征

Roy解釋道：“這些專門設計的二硫化鉬納米顆粒充當交聯(lián)劑，形成水凝膠，并賦予電子皮膚導電性和導熱性。我們是第一個報道使用它作為關鍵成分的人，該材料粘附濕組織的能力對于潛在的醫(yī)療保健應用尤其重要，因為電子皮膚需要順應并粘附到動態(tài)、潮濕的生物表面�！�

其他合作者包括德克薩斯農工大學生物醫(yī)學工程系Limei Tian博士小組的研究人員和印度曼迪理工學院的Amit Jaiswal博士。

電子皮膚未來的應用領域非常廣泛，包括可連續(xù)監(jiān)測運動、體溫、心率和血壓等生命體征的可穿戴健康設備。這些設備將向用戶提供反饋，并協(xié)助他們提高運動技能和協(xié)調性。