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在生物系統(tǒng)中，軟組織可以通過應變增強有效地調(diào)節(jié)其機械強度以避免損傷。這些組織結(jié)合生物體的體感系統(tǒng)，可以經(jīng)歷從觸覺到痛覺的可控感覺閾值轉(zhuǎn)變，從而使得生物體能夠主動感知到可能造成傷害的機械刺激，并進一步迅速做出反應，防止危險的發(fā)生。因此，在應變機械增強之前，主動保護功能的實現(xiàn)依賴于感覺系統(tǒng)觸發(fā)的強烈且快速的疼痛警告。盡管傳統(tǒng)的電子皮膚可以通過預先設定的電阻變化閾值來模擬人類的觸覺或痛覺功能，但通過應變感知增強（SPS）來實現(xiàn)主動感知仍然存在一定的挑戰(zhàn)。在SPS材料系統(tǒng)中，靈敏度系數(shù)（GF）和施加的應變具有典型的正相關(guān)性，并在應變閾值前后GF表現(xiàn)出明顯的提高，從而實現(xiàn)感知從觸覺到痛覺的過渡。更重要的是，探索不依賴于物理尺寸、形狀和初始電導率的SPS材料系統(tǒng)將有利于智能友好型軟體機器人的發(fā)展，對人機交互中危險的提前規(guī)避具有重要意義。

近期，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團隊陳濤研究員和肖鵬副研究員基于在碳基/高分子復合薄膜的構(gòu)筑及其柔性驅(qū)動與傳感方面的研究基礎，受生物軟組織應變機械增強的啟發(fā)，提出了基于SPS效應的仿生皮膚，實現(xiàn)從觸覺到痛覺感知的動態(tài)轉(zhuǎn)變。

本工作采用界面自組裝和原位功能化策略構(gòu)筑了具有界面互鎖結(jié)構(gòu)的二維石墨烯基彈性超薄膜（ECF）。與基于一維碳納米管的ECF不同，基于二維石墨烯片層的ECF表現(xiàn)出隨應變正向變化的GF行為，這和真實脊椎動物的神經(jīng)感覺系統(tǒng)具有相似的感知趨勢。在ECF中，石墨烯片層之間相互堆疊形成的動態(tài)網(wǎng)絡可以通過不同程度的滑移靈敏地響應外界應變刺激，從而實現(xiàn)低應變下正常的觸覺感知和高于應變閾值的痛覺感知。進一步，通過調(diào)控石墨烯片層的厚度，可以實現(xiàn)應變閾值在7.2%到95.3%范圍內(nèi)變化。這種優(yōu)異的性能可調(diào)性將大大促進ECFs在基于SPS效應的仿生皮膚中的應用，去模仿人體組織的疼痛感知功能，比如監(jiān)測肌腱的過度拉伸以及手背皮膚受到拉扯產(chǎn)生的痛覺。受河豚皮膚三維形變啟發(fā)，將ECF集成為自支撐形式的仿生皮膚，可以靈敏感知接觸或非接觸式機械刺激以及實時監(jiān)測三維氣動形變。不僅如此，還可以通過SPS效應有效地檢測到處于過度膨脹狀態(tài)的三維形變，實現(xiàn)動態(tài)的痛覺感知。未來，基于SPS效應的ECFs有望在安全友好的人機交互、智能假肢和軟體機器人中得到廣泛應用。

基于ECF的仿生皮膚用于應變感知增強（SPS）的觸覺和痛覺管理

該工作以題為“Biomimetic Skins Enable Strain-Perception-Strengthening Soft Morphing”發(fā)表在Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2201812。本研究得到了國家自然科學基金（52073295）、浙江（之江）實驗室開放研究項目（No.2022MG0AB01）、國家自然科學基金委中德交流項目（M-0424）、中科院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、中國科學院國際合作局（174433KYSB20170061）及王寬誠國際交叉團隊（GJTD-2019-13）等項目的資助。