美研製出可反覆癒合“人造皮膚” 具有敏鋭觸感

美國斯坦福大學的一個科研團隊研製出首個具有敏鋭觸感且在室温下能迅速、反覆癒合的人工合成材料。此進展或將導致更智能假肢或更有彈性的可自我修復個人電子產品的出現。該研究成果發表在11月11日《自然·納米技術》雜誌上。

研究人員一直在竭力模仿人類皮膚的卓越性能，如皮膚的觸感(發送給大腦的關於壓力和温度的精確信息)以及高效的自愈能力。斯坦福大學化學工程系鮑哲南教授及其團隊成功地將上述兩項性能集成在單個合成材料中。

在過去的10年中，人造皮膚研究取得了重大進展，但即使是最有效的自我修復材料仍具有重大缺陷。有些因必須暴露在高温條件下而無法實用，有些雖在室温下可以癒合，但修復創口會改變其機械或化學結構，所以其只能使用一次。最重要的是，還沒有出現一種自癒合材料具有良好的電導性。

鮑哲南團隊經由兩種成分的混合成功地達到了兩全其美的效果——塑料聚合物的自我修復能力和金屬的導電性。他們使用的塑料包含有氫鍵連接的長鏈分子，這些分子很容易打散，當其重新連接時，氫鍵就能自我重組和恢復材料的結構。

研究人員在這種彈性聚合物中添加了微小的金屬鎳顆粒以增加其機械強度。鎳顆粒的納米級表面是粗糙的，這對材料形成導電性至關重要。其每個突出的邊緣都聚集了一個電場，使電流更容易從一個粒子到達下一個粒子，從而使塑料聚合物具備電導性。

研究人員對該材料在受損後機械強度和導電性的恢復能力進行了檢測。他們取用薄帶狀材料並將之切成兩半。將其放在一起輕輕按壓幾秒鐘後，材料可恢復其原始機械強度和導電率的75%；如果按壓30分鐘，材料性能的恢復接近100%。更重要的是，同一樣品可在同一個地方反覆切削，經過50次切削和修復，樣品的柔韌性和伸展度仍完好如初。

該團隊還探討了該材料的壓敏特性。電子在材料中形成電流的過程，類似於在石頭間跳躍越過小溪。鎳顆粒就扮演了石頭的角色，它們間的距離決定了一個電子需要多少能量從一塊石頭跳躍到另一塊。合成皮膚上的扭曲或按壓會改變鎳顆粒間的距離，也就改變了電子跳躍的難易程度。這些細微的電阻變化可被轉換成皮膚受到壓力和張力的信息。研究人員表示，該材料可探測到握手產生的壓力變化。

鮑哲南表示，該材料對下壓和屈曲都非常敏感，因此未來的假肢在關節處將有更好的彎曲度。覆有該種材料的電氣設備和電線也可自我修復，使電力維護變得不再困難和昂貴，尤其是在難以到達的地方，如建築物牆壁或是車輛內。研究團隊的下一個目標是使材料更透明和更具彈性，以適於電子設備或顯示屏的包裝和覆蓋。(馮衞東)