未来机器人如何感觉现实中的疼痛？——模拟人类皮肤的离子触觉传感器

人类每天都通过皮肤的触觉与外界进行互动，皮肤是我们身体外皮系统中最大的器官，它表现出一系列显着的特性。可感知压力、应变、温度和湿度等信息。类似于人体皮肤的这些功能，触觉传感器通过多种传感器的集成，可以给触觉受损的人们提供物体的触觉反馈，帮助人们感知到材料物性、运动与相对位置及环境温度与湿度等信息，有助于智能装备行为的控制，在物联网和大数据等领域有广泛的应用。

图1.触觉传感器模拟人类皮肤

触觉传感器通常由压力传感器及应变传感器为主组成。为了确保与非平整、粗糙和动态的皮肤表面的牢固贴合接触而又不妨碍日常活动，柔性触觉传感器应具有低模量、高拉伸性及良好的耐磨性，此外柔性触觉传感器还应具有高灵敏度、轻便、低成本和低功耗的特点。为了实现这些功能，具有更大的表面积和出色的材料特性以及与低成本制造工艺兼容的纳米材料被广泛用于开发柔性触觉传感器。

生物信号是由离子和分子而不是电子介导的成为技术主要的挑战。对此，在过去几年中，离子触觉传感器（ITS）的概念是由包含移动离子和可变形离子材料组成，即可以感知压力、应变、温度、湿度，甚至其他外部刺激的可变形离子传感器。已被引入以更接近地模仿人类皮肤的触觉感知能力。特别是可以注意到，类似于人体皮肤的触觉感知机制，ITS的触觉感知能力依赖于受外部刺激调制的离子的迁移和重新分布，用于人机交互平台的生物界面。

为了完全模仿人类皮肤的感觉和感官特性，需要开发具有以下特性的材料来实现高性能ITS：i)材料应具有较高的柔韧性和均匀的变形能力；ii)设计材料杨氏模量应符合要求；iii)材料应能够在外部电或力刺激下进行离子传导。基于这些方面，以下是研究者开发具有高性能 ITS的最常用材料。

1. 离子液体

图2.离子液体分类

离子液体 (IL) 被定义为由有机阳离子和有机或无机阴离子组成的熔盐，其熔点低于 100 °C。离子液体显示出令人感兴趣的物理化学特性，例如高热、化学和电化学稳定性、低粘度、非挥发性和不可燃性。此外，由于离子液体的多种阳离子和阴离子，可以高度调节离子液体的物理和化学性质。

离子液体是室温下的高极性熔融二元盐，由阳离子和阴离子组成，这使它们成为良好的离子导体。典型的离子液体由含氮有机阳离子和无机阴离子。一般来说，基于咪唑鎓的离子液体具有较高的电导率，而基于四烷基铵、吡咯烷鎓、哌啶鎓和吡啶鎓的离子液体具有较低的电导率。由于有机合成创新赋予了它们优异的理化特性和出色的导电性，ILs在触觉传感器中广泛使用。

2. 离子聚合物和离子凝胶

图3.离子凝胶复合物类电子皮肤

ILs 由于其有趣的理化特性而在压力和应变敏感的ITS中显示出巨大的潜力。然而，它也面临着未解决的挑战。一个挑战是它们的“液体”性质，这引起了严重的问题，例如耐用性低、难以处理、不便携和不可能小型化。ITS的主要优点是具有高灵敏度和出色耐用性的稳健设备架构。

为了制造耐用的 ITS，非常需要离子材料应该具有类似聚合物的机械完整性，同时保持高离子电导率和良好的电化学稳定性。这可以通过开发离子聚合物或离子凝胶来实现。离子聚合物，即聚合物电解质，包括聚合物网络和离子液体，其中离子液体并入聚合物网络中提供了完全相容的组合。

3. 水凝胶

图4.水凝胶类离子传感器

水凝胶是3D、交联的聚合物网络，吸水易膨胀。聚合物网络赋予水凝胶弹性，而水分子使其成为离子导体。最近，水凝胶已成为具有优异拉伸性、高透明度、可调导电性和生物相容性的新型离子导体，这使得水凝胶在软电子产品中有新的应用。

水凝胶的这些优异的电气和机械性能已被用于制造各种设备，包括透明扬声器和离子电缆等，通过用离子水凝胶代替传统的电子导体。水凝胶易于制备、价格低廉且具有生物相容性，并为生物相容性传感平台提供了潜力。

总结

ILs离子聚合物/凝胶及水凝胶被认为是代替人类皮肤触觉能力的有竞争力的候选者。仿生ITS中的方法使传感器的制造具有压力传感范围，可满足各种应用的特定要求。不幸的是，能够感测多种形式的机械负载的设备尚未完全开发出来。事实上，大多数离子设备都专注于仅感知单一类型机械刺激的能力。

然而，多模态触觉感知能力对于创造完美再现人类触觉的传感器至关重要。水凝胶是生物相容性最高的一类，但其长期稳定性和耐久性较差。另一方面，离子材料如离子液体和离子聚合物/凝胶相对稳定，但缺乏生物相容性。

今天，对于使用假肢的人来说，还没有恢复自然触觉的解决方案。提供自然的触觉可以改善截肢者的生活质量。ITS 在假肢上的应用将提高假肢在特定活动中的使用能力。总之，在新兴的人机交互机器人、医疗设备和假肢中使用 ITS 有望在这些领域带来巨大的创新。