一种人工仿生皮肤及其应用

1.本发明涉及光电功能材料及其应用领域，具体涉及一种人工仿生皮肤及其应用。

背景技术：

2.人机交互是指人与计算机之间使用某种对话语言，为完成确定任务的人与计算机之间的信息交换过程。人机界面提供了用户和机器人之间交互的机会，因其在许多应用领域的巨大潜力而受到极大关注，例如极端环境操作，抢险救火，假肢或外骨骼控制等。尽管在人机界面系统和设备的开发方面取得了实质性进展，但其中大多数都依赖于刚性电子设备，这些设备在延展性、舒适性、损伤重构性和多元感官能力等方面存在限制。
3.作为生物体最大的传感器官，皮肤不仅保护自然生物的身体，同时可以长期可靠地提供有关周围环境的各种反馈信息。作为人机交互界面的有力竞争者，具有较好的延展性、自愈性，多元感官能力的人工仿生皮肤是对生物皮肤功能的模仿。据报道，生物皮肤系统中的信息传导主要依赖于离子的远距离传输。受生物系统的启发，基于离子传导的水凝胶极大地扩展了人工仿生皮肤的选择，因为水凝胶的高含水量保证了离子的快速传输和宽光谱的机械性能。但是，与天然皮肤相比，它们对除压力和应变以外的多重感官比较匮乏，无法像真正的皮肤提供多重感应，包括温度、溶剂和生物电信号等。而且，大多数基于水凝胶的人工仿生皮肤是通过使用纯水溶剂获得的，在低温的自然环境中会不可避免地会冻结水分，失去机械灵活性；同时长时间放置空气中也会因为水分蒸发变成坚硬的固体，失去工作能力。更为重要的是，目前所制备的人工仿生皮肤在受到损伤之后往往需要依靠外加能量愈合，修复时间较长且很难100%恢复到原始状态。为了应对更加真实的自然使用环境，人们希望开发一种基于人工仿生皮肤的先进功能人机交互界面，能够更好地融合多种功能，包括较宽的工作范围、宽泛的机械柔韧性能、多重感应功能、优异的受损重构能力和可回收特性等。

技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种人工仿生皮肤及其应用。
5.为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：一种人工仿生皮肤，包括超分子水凝胶电解质薄膜，设置在超分子水凝胶电解质薄膜上方的电极a，设置在电极a上方的顶层绝缘保护层，设置在超分子水凝胶电解质薄膜下方的电极b，设置在电极b下方的底层绝缘保护层；所述超分子水凝胶电解质薄膜由超分子水凝胶体系和增塑剂组成。
6.进一步的，所述顶层绝缘保护层和底层绝缘保护层所用的材料为vhb胶带、塑料、橡胶或弹性体中的一种；所述电极a和电极b为惰性电极或活性电极。
7.进一步的，所述增塑剂包括脂肪族二元酸酯类、苯二甲酸酯类、苯多酸酯类、苯甲酸酯类、多元醇酯类、氯化烃类、环氧类、柠檬酸酯类、聚酯类中的一种或多种混合而成。
8.进一步的，所述的苯二甲酸酯类为邻苯二甲酸酯类或对苯二甲酸酯类。
9.进一步的，所述的超分子水凝胶电解质薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将可聚合的超分子单体和增塑剂分散在水中，恒温搅拌得均一的前驱液；步骤2，向前驱液中加入引发剂进行引发聚合，得超分子水凝胶电解质薄膜。
10.进一步的，步骤1中可聚合的超分子单体为至少阴离子型、阳离子型、或两性离子型中的两种；且在前驱液中的摩尔分数为0.1-10摩尔；所述的可聚合的超分子单体和增塑剂摩尔比为1-1000:1；恒温搅拌的温度30℃-100℃下搅拌10-1000分钟。
11.进一步的，步骤2中所述引发剂为光引发剂或热引发剂，且在前驱液中的质量浓度为0.05-0.5%；引发聚合的步骤具体为：以0.1-5 cm/s的速度注入由间隔为0.01-5 mm的平行玻璃板组成的反应池中，在光聚或者热聚条件下聚合5-8小时。
12.上述人工仿生皮肤在健康监测传感器或人机交互界面中的应用。
13.一种人机交互界面，包括上述的人工仿生皮肤、单片机模块、蓝牙模块、电源管理模块和机器人；其中，人机交互界面中的单片机模块包括信息采集系统、处理系统和控制系统；所述处理系统中，人工仿生皮肤的电阻变化通过分压电路转换为电压变化，并通过微控制器上的7个通用可编程输入/输出（gp i/o）端口和10位模数转换器（adc）读取电压变化；所述控制系统中具有7个带有adc的gp i/o端口的系统形成一个14字节的消息，并通过通用异步接收器/发送器将其发送到人机交互界面中的蓝牙模块；所述蓝牙模块接收并分析信号再通过蓝牙向机器人发送指令；所述电源管理模块给整个人机交互界面提供电源。
14.有益效果：与现有技术相比，本发明一种人工仿生皮肤及其应用，该人工仿生皮肤突破了刚性电子设备在延展性、损伤重构性和多重功能性等方面的局限性，具有广泛的优异机械性能，包括皮肤损坏后灵活的重构能力，极大的拉伸性和可回收性，优异的环境稳定性和多重感官性能，包括等，类似于自然皮肤。作为交互式人机界面，收集和区分识应力、应变、温度、溶剂和生物电别到的感官刺激，编程化处理后实时还原人体动作，以代替人类进行一些危险动作。
附图说明
15.图1为本发明实施例1超分子水凝胶电解质应力应变曲线测试图；图2为本发明实施例2中人工仿生皮肤对拉力的检测结果图；图3为本发明实施例2中人工仿生皮肤对压力的检测结果图；图4为本发明实施例2中人工仿生皮肤对温度的检测结果图；图5为本发明实施例2中人工仿生皮肤对溶剂分子的检测结果图；图6为本发明实施例3中人工仿生皮肤的人机交互界面的场景应用图；图7为本发明人工仿生皮肤的结构示意图，其中，1-顶层绝缘保护层，2-电极a，3-超分子水凝胶电解质薄膜，4-电极b，5-底层绝缘保护层；图8为本发明实施例2中人工仿生皮肤水解重构后应力应变曲线测试图；图9为本发明实施例2中人工仿生皮肤水解重构后环境稳定性测试图。
具体实施方式
16.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
17.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
18.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
19.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
20.实施例1 超分子水凝胶电解质薄膜的制备（1）将1克丙烯酸（aa）, 1克两性离子（3-[二甲基-[3-（2-甲基丙-2-烯基氨基）丙基]氮杂铵基]丙烷-1-磺酸盐（pdp）, 1克增塑剂氯化胆碱（ccl）分散在1毫升的去离子水中，室温下以500 rpm的转速搅拌，直至得到均匀透明的混合溶液；（2）步骤（1）中的混合溶液中加入0.1克热引发剂过硫酸铵（aps）后避光条件下以500rpm的转速搅拌5分钟得到均匀溶液；（3）步骤（2）中的混合溶液注入到间隔为1毫米的玻璃模具中，在紫外交联仪中光聚合10小时，得到超分子水凝胶电解质薄膜。
[0021]
水凝胶电解质薄膜的机械性能测试采用万能拉力机测试，测试方法如下：a 用游标卡尺测试水凝胶电解质薄膜试片的厚度和宽度，并将数据记录；b 选择拉伸速率10mm min-1
；c 选择合适夹具，调整夹具距离并夹牢水凝胶电解质薄膜样品；d 将测试数据调零，并开始拉伸水凝胶电解质薄膜；e 水凝胶电解质薄膜试样断裂并读出最大负荷和拉伸伸长值；f 重复多次获得水凝胶电解质薄膜的机械性能平均值。
[0022]
实施例1中所得超分子水凝胶电解质薄膜的机械性能见图1，由图1可以得出ccl的加入有助于降低超分子水凝胶电解质薄膜的拉伸模量。随着ccl含量的增加，超分子水凝胶电解质薄膜的拉伸模量从200 千帕下降到小于50 千帕。同时，材料的拉伸性逐渐提高，在ccl含量为25 wt%时获得最大拉伸（130倍以上）。
[0023]
实施例2人工仿生皮肤的制备利用实施例1的超分子水凝胶电解质薄膜制备电阻式人工仿生皮肤，具体结构如图1所示，先在水凝胶电解质薄膜放上电极a（铜贴片）和电极b（铜贴片）, 电极a（铜贴片）上贴上vhb胶带作为顶层绝缘保护层，电极b（铜贴片）贴上vhb胶带作为底层绝缘保护层，形成vhb胶带/电极a/水凝胶电解质薄膜/电极b/vhb胶带，组成电阻式人工仿生皮肤。
[0024]
对制得的电阻式人工仿生皮肤进行传感器监测，实验验证具体过程如下：对于压力检测，将人工仿生皮肤放置于黑桌子上，连接测试端，然后对人工仿生皮肤施加不同压力的按压，观察测试端电阻信号的变化；对于拉力检测，将人工仿生皮肤放置于黑桌子上，连接测试端，然后对人工仿生皮肤施加不同拉伸的力，观察测试端电阻信号的变化；对于温度检测，将人工仿生皮肤放置于黑桌子上，连接测试端，然后改变人工仿生皮肤周围的环境温度，观察测试端电阻信号的变化；对于溶剂检测，将人工仿生皮肤放置于黑桌子上，连接测试端，然后在人工仿生皮肤上滴加丙酮溶剂，观察测试端电阻信号的变化；具体结果见图2-5。
[0025]
由图2、3可以得出制备的人工仿生皮肤对压力和拉力具有很好的响应，简单的说随着力的增大，电阻变化率也变大；由图4可以得出，人工仿生皮肤对于温度的响应是一个负相关的关系，随着温度的升高电阻减小；由图5可以得出，人工仿生皮肤可以区分有机溶剂丙酮和水溶液；对制得的电阻式人工仿生皮肤进行水解重构实验，实验具体过程如下：a 将电阻式人工仿生皮肤置于大量的去离子水溶液中，人工仿生皮肤在水溶液中的浓度不高于1毫克/毫升；b 将含有人工仿生皮肤的去离子水溶液进行加热搅拌，温度为60℃，搅拌速率为1000转/分钟；c 当人工仿生皮肤彻底溶解于去离子水中后停止搅拌和加热，并将溶液置于60℃温度箱中去除部分去离子水，并保持温度箱中湿度为25%；由图8可以得出，人工仿生皮肤重构前后拉伸率不变；重构后人工仿生皮肤的机械性能测试采用万能拉力机测试，测试方法如下a 用游标卡尺测试水凝胶电解质薄膜试片的厚度和宽度，并将数据记录；b 选择拉伸速率10mm min-1
；c 选择合适夹具，调整夹具距离并夹牢水凝胶电解质薄膜样品；d 将测试数据调零，并开始拉伸水凝胶电解质薄膜；e 水凝胶电解质薄膜试样断裂并读出最大负荷和拉伸伸长值；f 重复多次获得水凝胶电解质薄膜的机械性能平均值。
[0026]
重构后人工仿生皮肤的热重性能测试采用热重分析仪，测试方法如下a 在参数设置界面调节实验所需要的温度（25-500℃），升温速率（10
°
/分钟）；b 称取重构后人工仿生皮肤样品5毫克，并加入坩埚中；c 将带有样品的坩埚和空白对比坩埚同时加入热重分析仪，并开始升温记录数据；由图9可以得出，人工仿生皮肤重构后依然保持很好的稳定性。
[0027]
实施例3人机交互器件的制备将实施例2制备的电阻式人工仿生皮肤作为人机交互界面，结合机器人模块组成人机交互器件，具体结构包括上述人工仿生皮肤、单片机（mcu）模块、蓝牙模块、电源管理模
块和机器人；其中，人机交互界面中的单片机模块包括信息采集系统、处理系统和控制系统；在单片机模块的处理系统中，人工仿生皮肤的电阻变化通过分压电路转换为电压变化，并通过微控制器上的7个通用可编程输入/输出（gp i/o）端口和10位模数转换器（adc）读取电压变化；在单片机模块的控制系统中具有7个带有adc的gp i/o端口的系统形成一个14字节的消息，并通过通用异步接收器/发送器将其发送到人机交互界面中的蓝牙模块；人机交互界面的蓝牙模块接收并分析信号并通过蓝牙向机器人发送指令；人机交互界面中的电源管理模块给整个人机交互系统提供电源。
[0028]
对制得的人机交互器件进行性能验证，具体过程如下：在电源供电下，写入程序，蓝牙模块自动将输入数据转换为蓝牙格式，然后将其发送到与机器人连接的配对蓝牙模块。接收器分析信号并通过蓝牙向机器人发送指令；具体结果见图6，人机交互装置中的人工仿生皮肤作为交互界面，其中图6a为人与机器人同时抬左手；其中图6b为人与机器人同时抬右手；其中图6c为人与机器人同时下蹲；其中图6d为人与机器人同时站立；其中图6e为人与机器人同时向左转；其中图6f为人与机器人同时进行俯卧撑。可以看出，在人体动作下发生形变产生了与力对应的电阻变化，通过模块控制机器人产生与人体相同的动作，以机器人代替人类进行一些复杂危险的场景应用。
[0029]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种人工仿生皮肤，其特征在于，包括超分子水凝胶电解质薄膜，设置在超分子水凝胶电解质薄膜上方的电极a，设置在电极a上方的顶层绝缘保护层，设置在超分子水凝胶电解质薄膜下方的电极b，设置在电极b下方的底层绝缘保护层；所述超分子水凝胶电解质薄膜由超分子水凝胶体系和增塑剂组成。2.根据权利要求1所述的人工仿生皮肤，其特征在于，所述顶层绝缘保护层和底层绝缘保护层所用的材料为vhb胶带、塑料、橡胶或弹性体中的一种；所述电极a和电极b为惰性电极或活性电极。3.根据权利要求1所述的人工仿生皮肤，其特征在于，所述增塑剂包括脂肪族二元酸酯类、苯二甲酸酯类、苯多酸酯类、苯甲酸酯类、多元醇酯类、氯化烃类、环氧类、柠檬酸酯类、聚酯类中的一种或多种混合而成。4.根据权利要求3所述的人工仿生皮肤，其特征在于，所述的苯二甲酸酯类为邻苯二甲酸酯类或对苯二甲酸酯类。5.根据权利要求1所述的人工仿生皮肤，其特征在于，所述的超分子水凝胶电解质薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将可聚合的超分子单体和增塑剂分散在水中，恒温搅拌得均一的前驱液；步骤2，向前驱液中加入引发剂进行引发聚合，得超分子水凝胶电解质薄膜。6.根据权利要求5所述的人工仿生皮肤，其特征在于，步骤1中可聚合的超分子单体为至少阴离子型、阳离子型、或两性离子型中的两种；且在前驱液中的为0.1-10摩尔；所述的可聚合的超分子单体和增塑剂摩尔比为1-1000:1；恒温搅拌的温度30℃-100℃下搅拌10-1000分钟。7.根据权利要求5所述的人工仿生皮肤，其特征在于，步骤2中所述引发剂为光引发剂或热引发剂，且在前驱液中的质量浓度为0.05-0.5%；引发聚合的步骤具体为：以0.1-5 cm/s的速度注入由间隔为0.01-5 mm的平行玻璃板组成的反应池中，在光聚或者热聚条件下聚合5-8小时。8.基于权利要求1-7任一项所述的人工仿生皮肤在健康监测传感器或人机交互界面中的应用。9.一种人机交互界面，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的人工仿生皮肤、单片机模块、蓝牙模块、电源管理模块和机器人；其中，人机交互界面中的单片机模块包括信息采集系统、处理系统和控制系统；所述处理系统中，人工仿生皮肤的电阻变化通过分压电路转换为电压变化，并通过微控制器上的7个通用可编程输入/输出（gp i/o）端口和10位模数转换器（adc）读取电压变化；所述控制系统中具有7个带有adc的gp i/o端口的系统形成一个14字节的消息，并通过通用异步接收器/发送器将其发送到人机交互界面中的蓝牙模块；所述蓝牙模块接收并分析信号再通过蓝牙向机器人发送指令；所述电源管理模块给整个人机交互界面提供电源。

技术总结

本发明公开了一种人工仿生皮肤及其应用。包括超分子水凝胶电解质薄膜，设置在超分子水凝胶电解质薄膜上方的电极a，设置在电极a上方的顶层绝缘保护层，设置在超分子水凝胶电解质薄膜下方的电极b，设置在电极b下方的底层绝缘保护层；所述超分子水凝胶电解质薄膜由超分子水凝胶体系和增塑剂组成。本发明提供的人工仿生皮肤以突破刚性电子设备在延展性，损伤重构性和多元功能性等方面的局限性，具有较宽的工作范围，广泛的机械性能，多种感官能力、完美受损重构和可回收等优点，并且在回收和损伤重构后人工仿生皮肤的各项性能，包括机械性能、环境稳定性等方面与起始仿生皮肤持平，此人工仿生皮肤可应用于健康监测、人机交互界面等方向。向。向。