多大华人教授和学生最新研发:耐极寒皮肤传感器

根据多伦多大学官网消息，多伦多大学应用科学与工程学院的研究人员设计的一种新材料可以拥有如人体皮肤一样的延展性和韧性，并且能在低至-93°C的环境下工作。

图源：多伦多大学官网

这种被称为离子皮肤或iSkin的物质可以增强“可穿戴电子设备”到“软机器人”等技术。

该物质属于“水凝胶材料家族”。最近发表在《Advanced Functional Materials》杂志上的一篇论文中有详细描述。

“水凝胶是一种交联聚合物，能够在其化学结构中容纳大量的水，”目前正在麻省理工学院作为博士后工作的中国留学生Binbin Ying说 ，他在麦吉尔大学攻读研究生期间领导材料设计的同时在多伦多大学工程学院华人教授Xinyu Liu的实验室做访问博士生。

“人类体内的许多组织都是水凝胶。因此水凝胶通常用于‘生物相容性’很重要的产品中，例如化妆品或人体组织工程。但如果我们想将它们用于柔软、灵活或可穿戴的电子产品中，我们需要添加新的功能，例如机械拉伸性和导电性。”

水凝胶产品 图源：New Atlas

去年，Ying和Liu推出了iSkin的初代版本 ，展示了它的一些功能：自供电、无毒并且可以拉伸到原始尺寸的400%大小。同时，弯曲该材料会导致其电导率发生相应变化。这使其能够将物理运动转换为电信号。

“治疗师可以将它贴在您的膝盖或肘部，以测量您的关节何时移动以及移动了多少，”Liu说。“我们还将其涂在手套上，使我们能够测量和跟踪手部运动，进而可用于控制机器人，可以促进各种人机交互。”

在华人本科生的Ryan Chen， Runze Zuo和博士生Zhanfeng Zhou的共同协作下，研究人员正在探索iSkin的进一步应用。例如，将材料块添加到机械抓手上以提供反馈信号。然后分析信号组合可以让机器人“感觉”它正在拾取的东西。结合人工智能算法，机器人甚至可以学会区分硬与软、圆形与立方体等物品，并对其进行适当分类。

机械抓手示意图 图源：RobotWorx

到目前为止，iSkin面临着所有水凝胶的共同缺点：当其中的水结冰时，产生的冰晶会对复杂的聚合物基质造成严重损坏。凉爽干燥的空气也可以将剩余的液态水从水凝胶中吸出。

Ying 和他的团队成员通过添加甘油来解决这个问题，甘油是一种无毒化学物质，常用于从食品到发胶的所有事物。在仔细测试了数百种可能的配方后，他们开发了一种新的iSkin配方，可以在不牺牲材料其他有用特性的情况下提高耐寒性。

新配方使水凝胶更容易粘附在皮肤、衣服和其他材料上。

“我们把它粘在夹克外面，然后走进多伦多的冬天，这里的温度低于-10°C。我们能够进行与实验室相同类型的测量。”

耐寒性和粘性进一步增加了该材料的可应用范围。例如，分拣机械手爪现在可以在低温存储设施中运行。

该研究得到了加拿大自然科学和工程研究委员会和加拿大创新基金会等机构的支持。