在努力打造媲美真實皮膚的傳感器這件事上，由具有生物相容性的柔性水凝膠製成的、利用離子傳輸電荷的“離子皮膚”（Ionic Skin）表現出了相當大的優勢。與由塑料和金屬組成的傳統“智能皮膚”傳感器不同，水凝膠與真實皮膚一樣柔軟。若在義肢或機械臂上推廣開來，這項技術將賦予更舒適的佩戴感受和更自然的感官。
（圖自：Kai Jacobson / UBC 應用科學學院）
此前我們已知曉這種水凝膠可在被觸摸時產生電壓，但一直不清楚背後的機理，直到不列顛哥倫比亞大學（UBC）的一支研究團隊在 2022 年 4 月 28 日出版的《科學》雜誌上給出了明確的解釋。
研究一作 Yuta Dobashi 表示，其在該校攻讀生物醫學工程碩士學位時開始了這項工作。可知水凝膠傳感器的工作原理，是它們可對壓力或觸摸等刺激給出電壓和電流反應，我們稱之為壓電效應。
而為了搞清背後的原理，他在 UBC 應用科學學院與計算機工程教授 John Madden 博士的指導下設計了一項獨特的實驗。
首先是設計出包含不同大小的正離子和負離子鹽的水凝膠傳感器，然後攜手該校物理與化學系的研究合著者們，通過部署磁場來精確追蹤“當向傳感器施加壓力時”、離子是如何移動的。
結果發現，當對凝膠施加壓力時，它會以不同的速度分散液體中的離子、從而產生電信號。
有趣的是，與較大的負離子相比，較小的正離子的移動速度要更快一些。這導致離子因分佈不均勻而產生了電場，壓電傳感器的工作原理也是如此。
研究人員稱，這一新發現證實了水凝膠的工作方式與人體的壓力感知異曲同工（也是通過移動離子來響應壓力），從而啟發了基於“離子皮膚”的潛在新應用。
John Madden 博士補充道：最簡單的應用場景，就是打造出與細胞和神經系統相互作用的傳感器。而且除了向神經傳遞信號，我們也可想象激活神經以控制肌肉的收縮。
研究人員用果凍甜點來演示離子是如何在水凝膠中移動的
假如用“離子皮膚”來包裹義肢，其皮膚便可通過觸摸或壓力來感知物體。接着通過神經將信息傳遞給大腦，並由大腦來激活抓握或抬升物體所需的馬達。
目前正在多倫多大學攻讀博士學位的 Yuta Dobashi，希望在畢業後繼續研究離子技術。相信隨着皮膚傳感器與神經接口技術的進一步發展，此類仿生應用也將迎來一波大爆發。
或者我們可以製造可穿戴的軟水凝膠傳感器，以在不礙眼和自發電的情況下監測患者的生命體征。作為參考，2019 年的智能皮膚市場規模在 45 億美元左右、且還在持續增長的過程中。
有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《Science》期刊上，原標題為《Piezoionic mechanoreceptors: Force-induced current generation in hydrogels》。