機(jī)械敏感離子通道在觸覺感受器中的關(guān)鍵作用機(jī)制

柔性傳感器具有柔性輕薄、易于集成、便于穿戴等技術(shù)優(yōu)勢，可適形貼附在人體、機(jī)器人或者裝備表面進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)感知，廣泛應(yīng)用于智能穿戴、醫(yī)療康復(fù)、人機(jī)交互等領(lǐng)域，是我國重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。國內(nèi)外學(xué)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(shè)計(jì)和技術(shù)革新至關(guān)重要。

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

受生物組織細(xì)胞膜上的機(jī)械門控離子通道啟發(fā)，西安交通大學(xué)邵金友、陳小亮團(tuán)隊(duì)提出了仿生“門控傳感”新模式。該團(tuán)隊(duì)通過應(yīng)變分布調(diào)控策略在鑲嵌式導(dǎo)電通路內(nèi)定域生成電子門控結(jié)構(gòu)，開發(fā)了高靈敏度、快響應(yīng)、高穩(wěn)定的機(jī)器人滑覺皮膚，如圖1所示。機(jī)器人滑覺皮膚表面的微金字塔陣列可模仿皮膚指紋結(jié)構(gòu)與物體表面進(jìn)行滑動交互，將動態(tài)應(yīng)變傳遞至機(jī)械門控感知結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)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(dǎo)電通路設(shè)計(jì)有效增強(qiáng)了電子門的局部應(yīng)變，提升感知靈敏度；同時(shí)削弱傳導(dǎo)路徑的應(yīng)變，抑制敏感材料裂紋產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)仿生滑覺皮膚靈敏度和穩(wěn)定性的協(xié)同增強(qiáng)。該滑覺皮膚能夠靈巧識別復(fù)雜結(jié)構(gòu)件表面紋理，例如，對機(jī)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(xì)表面紋理，響應(yīng)頻率達(dá)485Hz，為目前相關(guān)領(lǐng)域報(bào)道的最優(yōu)值，在機(jī)器人智能識別和交互反饋方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 仿生機(jī)器人滑覺皮膚

此外，該團(tuán)隊(duì)將“仿生門控”傳感新模式應(yīng)用于柔性應(yīng)變傳感領(lǐng)域，通過應(yīng)變驅(qū)動微結(jié)構(gòu)門控開關(guān)實(shí)現(xiàn)離子導(dǎo)電通道開合，開發(fā)了可編程門控流體應(yīng)變傳感器，如圖2所示。將離散微柱陣列構(gòu)建的門控結(jié)構(gòu)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(yīng)變結(jié)構(gòu)，利用泊松效應(yīng)引發(fā)的非均勻變形驅(qū)動門控結(jié)構(gòu)打開和閉合，獲得了高達(dá)上萬的應(yīng)變系數(shù)（GF最大值45300）、大拉伸能力（>500%）以及長時(shí)間傳感的穩(wěn)定性與可靠性（拉伸循環(huán)超過80000次），應(yīng)變傳感器的靈敏度和測量范圍可以通過門控結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)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(yīng)變傳感器實(shí)現(xiàn)了人體微小脈搏、發(fā)聲等生理信號以及大幅肢體運(yùn)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(fù)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

圖2 仿生門控流體應(yīng)變傳感器

上述研究工作由西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、前沿科學(xué)技術(shù)研究院、中國航發(fā)渦輪院、西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院組成的學(xué)科交叉、校企聯(lián)合團(tuán)隊(duì)合作完成。

審核編輯：郭婷