人造皮肤拉力试验机

图为不混溶动态聚合物薄膜的5层交替层压薄膜的深度剖面数字显微镜照片。图片来源：斯坦福大学据发表在最新一期《科学》杂志上的论文报道，美国斯坦福大学研究人员首次展示了一种多层薄膜传感器，这种人造电子皮肤可在愈合过程中自动重新排列。这是模仿人类皮肤的关键一步。这一进步预示着一个机器人和假肢新时代或将到来，未来它们将拥有类人触觉的自愈合成材料制造的“皮肤”。斯坦福大学博士生克里斯库珀表示，人类皮肤有很多层，在愈合过程中分工相当明确有序，每一层都会有选择地自行愈合，以恢复整体功能。而新电子皮肤层可以模仿这一点，它也是由层组成的。它刚刚进化出免疫机制，通过涉及分子识别和信号传递的复杂过程，重建具有原始分层结构的组织。研究人员介绍说，多层人造皮肤具有各自不同的功能层，每层薄至1微米，甚至更薄。10层或更多层堆叠在一起的厚度不超过一张纸。有的层可能感觉到压力，有的层感觉温度，还有的层具有张力。不同层的材料可以被设计成具有感应热、机械或电气变化的特性。这种人造皮肤为何能自动重新修复？秘密就在每层的主干都是由长分子链组成的，这些长分子链通过动态氢键定期连接，就像将DNA链的双螺旋连接在一起的分子链一样，这使得材料可以重复拉伸而不会撕裂。研究人员使用了聚丙二醇和聚二甲基硅氧烷，这两种聚合物及其各自的复合材料是不混溶的，氢键使它们彼此很好地黏合在一起，从而创建了耐用的多层材料。这两种聚合物的优点是，当加热时，它们会变软并流动，但冷却时会凝固。因此，通过加热人造皮肤，研究人员能够加快愈合过程。在室温下，愈合可能需要长达一周的时间，但当加热到70℃时，约在24小时内可愈合。经过设计，这两种材料在适当的温度范围内对外部应力具有与真人皮肤一般的黏性和弹性。

来自沙特阿拉伯阿布杜拉国王科技大学的电子工程师们利用铝箔、便条纸、海绵与磁带，开发出一种名为“纸皮肤”(Paper Skin)的低成本传感器，可用于侦测包括触摸、压力、温度、酸度与湿度等外来刺激。　　这款目前仍在开发中的Paper Skin传感器采用了各种经济实惠的低成本材料，同时整合诸多功能，据称能够表现地像其他的人造皮肤应用一样。　　可穿戴式与软性电子产品正展现在各种不同应用领域的发展前景，例如无线监测病人的健康状况与免触控的计算机接口等，但目前在这方面的研究往往使用昂贵且复杂的材料与工艺。　　“我们的研究成果可望带来彻底改变电子产业的潜力，并为商用化可负担的高性能感测组件敞开了大门，”KAUST电子工程系副教授Muhammad Mustafa表示。这项研究在该校的整合纳米技术实验室进行。　　KAUST的电子工程师利用厨房中随手就能找到的铝箔、便条纸、海绵与磁带等日常材料，开发出一款可侦测触摸、压力、温度、酸度与湿度等外在刺激的低成本传感器。　　“以往在这方面的研究多米采用复杂的材料或工艺，”Hussain指出，“经化学机能的喷墨打印或真空技术处理过的纸类虽然便宜，但所表现出的功能也十分有限。如今，我们所展示的是一种可加以扩展的‘车库’(garage)制造途径，只需利用日常生活中现成可用或甚至家中就能找到的廉价组件。”　　研究小组使用便条纸检测湿度、海绵和抹布检测压力，铝箔则用于侦测运动。而以HB铅笔着色便条纸后，则可让纸用于检测酸度。铝箔和导电银油墨则被用来侦测温度的差异。　　研究人员们将所有的材料放在一起成为一个简单的纸质平台，然后再将它连接到一款可根据外在刺激侦测导电率变化的设备。Paper Skin是一款简单的纸质平台，能根据外在刺激侦测导电率变化　　例如，当湿度增加时，提高了该平台储存电荷或电容的能力。将传感器暴露于酸性溶液中，则会使其电阻增加，而当暴露于碱性溶液时随之降低。随着温度改变，该平台也侦测到电压的变化。将手指接近平台时，还会扰乱其电磁场，而使其电容降低。　　研究团队充份利用所使用的材料特性，包括其多孔性、吸附性、弹性与尺寸，开发出低成本的感测平台。他们还展示透过单一的整合平台，可同时且实时地侦测多种不同的外在刺激。　　在完全自主的多功能软性传感器平台实现商用化以前，必须先克服几种挑战。Hussain解释，例如，必须进一步发展与这种纸质皮肤之间的无线互动。同时，也需要进行可靠性测试，以评估传感器可持续多长的时间，以及在经历剧烈弯曲状况时的表现有多理想。　　“下一个阶段则是针对医疗监测系统等应用优化在此平台上的传感器互动。这款软性且适形的传感器平台可望同时为多种生命征象进行实时监测，包括心跳、血压、呼吸模式与动作，”Hussain表示。　　“例如，我们也可以将这项技术所实现的功能移植至生物性生长的皮肤上，并开发出可在人体中链接神经网络的机制，从而造福烧烫伤患者。其他应用包括机器人、车辆技术以及环境调查等。”

在生物医学研究和应用中，再生技术属于最具创新性、最有希望的未来领域。再生医学的治疗方法，在于重建、替换有功能障碍的细胞、组织和器官，例如借助经过培育的组织及刺激身体本身的再生和修复过程。洛桑大学医院细胞组织部专门从事实验室环境中的人体皮肤培植工作。培养细胞组织时，首先要从患者身上提取皮肤，放入实验室繁殖，然后再植入患者体内。对于遭受大面积烧伤的患者而言，这项新的治疗模式具有开创性的意义，因为传统的移植过程会形成严重的疤痕，给患者留下终身的印记。　　然而迄今为止，人体皮肤的生产成本很高，还必须满足最为严苛的安全要求。皮肤培植过程必须在安全等级最高的 A 级无尘室内进行。只有经过隔离室，工作人员才能进入培养箱所在的无尘室，还必须事先经过长达 30 分钟甚至更长时间的清洁程序。在无尘室内的实际停留时间最长为四个小时，否则可能使试样受到污染。这项程序所花费的不仅是时间，还有高额的成本。　　由于人造皮肤的需求量极高，在瑞士一家大学附属医院的提议下，于2009年启动了一个大型项目，旨在大幅提升人体皮肤培植过程的效率。这个想法的基础，在于把无尘室环境限制在隔离装置(手套箱)内，并将培养箱的孵化室作为独立单元集成于隔离装置中。这带来了极大的优势，因为隔离装置的环境只需达到 4 级无尘室标准即可，工作人员不必再经过繁杂的清洁过程。实验室工作人员可以在无尘室中停留八个小时，远高于以往的四个小时，不仅使得这一过程更为高效，而且成本更低。于是就建立了一处人体皮肤培植中心，其中配置有五个隔离装置和五个培养箱。　　这一规模宏大建设项目由希森美康公司设计和实施。该公司负责项目的组织工作，协调和掌控所有十家项目合作方的各种任务。BINDER的任务是针对该项目调整 CB 160 培养箱。整个设计阶段的工作极为复杂：采用带有热消毒传感器的 BIN-DER CB 160 气体培养箱作为核心部件。培养箱的不锈钢腔也作为无尘室的组成部分集成里面。实验员将试样从 D级无尘室实验室送入隔离区域(隔离室)。净化隔离室内的空气：抽排空气颗粒，使该区域从 D级升至 A 级。然后，放置试样的滑座将再穿过一个隔离室，进入模块中固定安装有培养箱的 A级无尘室中。通过无尘室外的操作面板，可对该设备进行控制。借助手套接入孔，实验员可将试样放入培养箱内。　　任务设置　● 集成培养箱的隔离装置　● 安全而高效地培育细胞组织　● 节省时间和费用　● 可靠的消毒措施　● 均匀的温度分布　● 简便的操作　　BINDER 解决方案　● 根据要求调整 CB 160 培养箱　● 热消毒传感器　● 气密型培养箱　● 带操纵杆的推拉门　● 可拉出的带不锈钢钩子的托盘　● 特别开发的托架　● 一目了然的操作面板　● APT.Line 空气护罩系统　● 180° C 热风消毒 带集成培养箱的隔离装置模块　　废料容器也集成在无尘室内。由于可能造成污染，当培养箱打开时，绝不能打开废料容器。所以培养箱上配有传感器，可识别废料容器是否打开。此外，集成培养箱的无尘室必须完全密封。“将在无尘室内进行超压测试，检测其密封性， ”BINDER有限责任公司的 Bernd Hofmann 表示。“压力下降的情况必须出现在规定的时间范围内。迄今为止，整个欧洲都采用这项安全方案。”经过调整的 CB 160 培养箱　　传感器具有冗余功能。每台培养箱配有两个传感器，用于检测温度、二氧化碳和氧气，在紧急情况下会发出警报。即便如此，还是对 CB 160进行了重大调整。为避免污染，培养箱完全密闭。为节约无尘室内的空间，将以往的平开门改为了推拉门，还专门为此开发了操纵杆。操纵杆可以转动，以避免妨碍实验员使用手套进行工作。　　培养箱还配有三个可以拉出的托盘。滚珠轴承不适合无尘室，因而采用了不锈钢钩子固定托盘的特殊设计。从而保证试样不滑落，并为托盘提供稳固支撑。由于存在露水凝结的危险，也撤除了培养箱的玻璃门。培养箱位于专门开发的台架上，安装于隔离装置中，高度可调。为简化操作，全套电气装备被布置于设备下方。