受傷能自愈的仿生皮膚問世

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相隔兩周時間，她的團隊最近連發了兩篇Science論文。這在她的學術生涯中，并不是一件新鮮事兒。

僅2020年以來，她的團隊就先后發表了5篇Science論文，4篇Nature論文。2022年3月，她的團隊更是在兩天內連發Nature和Science論文。（上述統計數據來自期刊官網）

她就是鮑哲南。在2016年，她創立斯坦福大學可穿戴電子中心并任主任，同年當選為美國國家工程院院士；2017年當選為美國國家發明家學會會士，并獲得聯合國教科文組織“世界杰出女科學家獎”；2021年當選為中國科學院外籍院士、美國藝術與科學院院士。

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鮑哲南 圖片來源：斯坦福大學網站

回到最新的兩篇論文，都是關于電子皮膚的突破：前者為可以模擬人類觸覺的電子皮膚，北京時間5月19日在Science發表；后者為可自愈多層電子皮膚，北京時間6月2日在Science發表。

在介紹自己的成果時，鮑哲南向《中國科學報》表示：“希望我們能夠制造出類似于人類皮膚的電子產品，不僅能夠感知、反應，還能快速自我修復。”

仿生皮膚可以自動愈合

人類皮膚很特別，不僅可以感知溫度、壓力、材質等，還能被拉伸和回彈，幫助在身體與細菌、病毒、毒素、紫外線輻射等有害物之間形成一道天然的保護屏障。這也是鮑哲南等科學家熱衷于仿生皮膚研究的原因之一。

當皮膚不小心被割破時，皮膚的每層都會有選擇地自行愈合，最終恢復原來狀態。“分層在模仿皮膚的研究中至關重要。”鮑哲南介紹，“在最新的這項研究中，我們第一次演示并實現了多層材料的選擇性自愈。即使損壞導致材料層次的錯位，它們也會在自愈過程中自動對齊。

鮑哲南團隊不僅模仿人類皮膚研制出多層材料合成的柔性皮膚，而且每層都非常薄，達到微米以下（10層的厚度比一張紙還薄）。其中的每一層材料都被設計了不同的感知能力，分別感知壓力、溫度、張力，等等。

那么，為什么每層仿生皮膚都可以像人類皮膚那樣，實現自動愈合呢？

秘密在于材料。通過反復嘗試，鮑哲南團隊使用了兩種動態聚合物，其具有類似橡膠的機械性能以及生物相容性，并且可以與納米或微顆粒混合，以實現導電性。雖然兩種動態聚合物具有不混溶的骨架，卻具有相同的動態鍵，可以保持層間粘附，同時在愈合過程中實現自主重新排列。

持續10多年的研究

2012年，鮑哲南團隊率先報道了第一個多層自愈合成電子皮膚。隨后，全世界的研究團隊紛紛開始關注多層合成皮膚的研究。

此前，合成皮膚必須由人類手動重新調整，如果各層出現輕微錯位，就可能影響功能恢復。這些年來，鮑哲南團隊一直在嘗試破解此難題，自從采用了上述動態聚合物材料后，合成皮膚在愈合過程中，各層可以自我識別實現對齊，而且，在愈合中還可以逐層恢復功能。

鮑哲南認為，就像動物進化出具備自我修復能力的多感官皮膚組織一樣，這些功能對于下一代的機器人和電子設備將大有裨益。

已有的研究發現，柔軟且可隨意變形的器件能讓其與柔性曲面基底緊密結合在一起，但柔軟的器件也更易于被銳利物體所損傷。“電子器件大多由多種材料組成，因此選擇具有自我修復能力的材料非常重要，可以有效提高設備的穩定性和耐用性。”鮑哲南告訴《中國科學報》。

“要設計出一對黏度相近，并且在同樣溫度下能進行自我修復的不混溶聚合物，確實頗具挑戰。”鮑哲南自豪地說，“我們團隊不僅做到了，同時還設計出可以直觀展示自我對齊的實驗過程，進而證明了我們的假設和提出的機制。參與同行評審的專家都對我們的研究結果給予肯定。”

出色論文的標志是什么

如果在聚合物層中添加一些磁性材料，結果會如何？帶著這樣的好奇心，鮑哲南團隊與斯坦福大學助理教授趙芮可（Renee Zhao）所在室驗室開展了交叉合作。趙芮可課題組在研究中負責磁驅動引導材料自組裝與材料的動態運動控制。

在研究中，材料的機械參數調節和材料在磁場控制下的運動需要多次嘗試，鮑哲南說，“我們兩個課題組直接的緊密合作是實驗成功的關鍵。”

實驗結果發現，在聚合物層中添加磁性材料，不僅可以使合成皮膚愈合，而且可以從單獨的碎片中自我組裝。“結合磁場引導和感應加熱，我們也許能夠構建可重新配置的軟機器人，這些機器人可以改變形狀，并按需感知其變形。” 趙芮可說。

“我們平時主要通過探索各種刺激響應材料，開發出仿生或者生物模擬的軟體機器人系統，這些材料對熱、光、磁場、壓力等可以產生較大的形狀變化。”鮑哲南進一步解釋道，“我們運用像折紙一樣的變形結構，通過刺激響應材料驅動的結構變形來實現機器人的運動。”

她還透露：“我們可以采用這些技術概念來開發毫米級別的軟機器人，用于醫療應用，特別是微創手術。”

一篇出色論文的標志，在于它能開辟出未來更多的研究方向。鮑哲南認為：“這篇論文是一個概念性的驗證，我們可以在許多方面進一步擴展這項工作。比如，探索不同的聚合物化學性質，制作出各種功能性復合材料，并利用這種方法設計出更復雜的多層自修復的設備。” 

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