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卡内基梅隆大学研发出银-水凝胶复合材料,兼具导电性与顺应性

众所周知,就机器人领域而言,金属材料的优势就是具有耐久性、导电性、高强度。但与此同时,它们往往很沉很重,且具有刚性,这些特性对于柔性的可穿戴系统及人机接口来说,必定是不可取的。

而水凝胶的特点与大多数金属相反――重量轻,具有延展性和生物相容性,是制作隐形眼镜和组织工程支架的极佳材料,但是其导电能力很差,而导电能力却恰好是数字电路和生物电子应用中必不可少的。

近日,卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)软体机器人实验室的研究人员 Carmel Majidi 和团队开发出一种银-水凝胶复合材料,这种材料不但具有高导电性,而且还能在直流电传递过程中,依然保持变形性、顺应性。

该研究结果于发表在《自然电子》(Nature Electronics)杂志上,标题为《一种用于软电子的导电银-聚丙烯酰胺-海藻酸盐水凝胶复合材料》(An electrically conductive silverCpolyacrylamideCalginate hydrogel composite for soft electronics)。

首先,他们将微米大小的银片悬浮在聚丙烯酰胺-海藻酸盐水凝胶基质中,然后经过部分脱水过程后,薄片就会形成一种能够导电,且可以抗机械变形的渗透网络,之后对脱水和水合过程进行控制,可以粘贴或分开薄片,进而形成可逆的电气连接。

此前人们试图将金属和水凝胶结合在一起的相关探索,表明在提高导电性的同时,总会带来顺应性和变形性的降低。Majidi 和团队利用此前在开发可伸缩液态金属等方面的专业知识来攻克这一挑战。

银-水凝胶复合材料具有一系列特性,包括顺应性、变形性以及导电性,使其成为软体机器人中极佳的软导电材料。为了展示这种材料在软体机器人领域的潜力,他们制作了一个受黄貂鱼启发的软性游泳器,其由一对水凝胶胸鳍和由软泡沫制成的流线型脊椎骨组成。

图 | 受黄貂鱼启发的游泳者特写(来源:Carnegie Mellon University)

他们将水凝胶胸鳍与两组银-水凝胶痕迹进行组合,形成兼容的界面。柔软的导电痕迹即为电线,将高电流(约 3.3 A)从台式电源输送至一对形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)致动器上,同时能够不干扰水凝胶胸鳍的自然变形性和顺应性。三层 VHB 胶带夹在两根 SMA 导线中间组成软致动器,直接利用电阻加热,可使致动器上下交替弯曲。

为了诱导一个向前的游泳运动,他们将上面的一对 SMA 丝激活 0.6 秒,然后冷却 1.9 秒,而另一对 SMA 丝分别激活并冷却 0.3 秒和 2.2 秒,然后向上和向下的驱动循环以 0.9 秒的偏移周期错开。实验证明,受黄貂鱼启发的游泳者,前进时的平均速度为每秒 0.2 体长,这个演示通过携带高电流来激活嵌入的 SMA 驱动器,突出了银 -水凝胶的导电性和稳定性。

“这种新型复合材料具有高导电性和高顺应性(或‘粘稠性’),在生物电子学和其他领域有很广阔的应用前景。例如,带有信号处理传感器的大脑贴纸,能够为电子设备供电的可穿戴发电装置,以及可伸缩的显示器。” 卡内基梅隆大学软体机器人实验室的机械工程教授 Carmel Majidi 解释道。

据悉,这种银-水凝胶复合材料可以通过模板光刻等标准的印刷方法进行印制。利用这种技术,研究人员能开发用于神经肌肉电刺激的皮肤电极。

“这种复合材料可以覆盖人体的大部分区域,就像皮肤上的第二层神经组织一样。” Majidi 表示。

为了验证银-水凝胶复合材料作为电极在表皮电刺激和记录领域的应用潜力,该团队专门制作了银-水凝胶电极,为神经肌肉电刺激(neuromuscular electrical stimulation,NMES)提供高频电信号,以证明这种复合材料的生物电子学特性。

图 | 神经肌肉电刺激电极 (来源:Carnegie Mellon University)

他们先是将一组银-水凝胶电极与商用的肌肉电刺激器连接到一起,然后利用智能手机的蓝牙功能对脉冲的强度、频率进行控制。为了形成对比,他们还制备了具有离子导电性的非填充水凝胶电极,并在相同条件下进行了 NMES 实验。实验结果显示,银-水凝胶电极的性能与商用的 NMES 电极相当。

并且,该技术在未来的应用还可能包括肌肉疾病和运动障碍的治疗,例如比如为中风后难以用手指抓握东西的患者以及易颤抖的帕金森症患者提供帮助。