化學(xué)通信是一種普遍存在于自然界的現(xiàn)象，它涉及化學(xué)信號(hào)的釋放、轉(zhuǎn)移和識(shí)別等過(guò)程，從而被廣泛用于生命個(gè)體之間信息的傳遞。例如，植物使用化學(xué)信號(hào)來(lái)吸引授粉者或驅(qū)趕食草動(dòng)物，一些昆蟲(chóng)或哺乳動(dòng)物則可以使用化學(xué)信號(hào)來(lái)尋找配偶或標(biāo)記其領(lǐng)地。這些現(xiàn)象引起了研究者們的廣泛興趣，并被試圖用于傳感器或機(jī)器人等人造智能系統(tǒng)。

為了開(kāi)發(fā)機(jī)器人的化學(xué)通信技術(shù)，其中一個(gè)關(guān)鍵是使它們能夠以一種穩(wěn)健、適應(yīng)性強(qiáng)的方式感知環(huán)境并與之交互。最行之有效的方法之一是引入基于電信號(hào)的傳感，它能賦予機(jī)器人感知環(huán)境中電荷的能力。然而，僅僅依靠電傳感仍然不足以管理機(jī)器人之間的交互，學(xué)者們需要尋找控制機(jī)器人釋放化學(xué)物質(zhì)的方法，從而控制信號(hào)的發(fā)射以實(shí)現(xiàn)更全面的機(jī)器人之間的通信。

圖1 機(jī)器人通過(guò)皮膚接觸并在輸入信號(hào)控制下實(shí)現(xiàn)化學(xué)信號(hào)的釋放、接收和識(shí)別的示意圖

近期，來(lái)自荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)（Eindhoven University of Technology）的劉丹青教授和Dirk J. Broer教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于光響應(yīng)的人造皮膚，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)信號(hào)物質(zhì)的控制釋放、傳遞和接收。這種人造皮膚由液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)制備而成，其中，信號(hào)化學(xué)物質(zhì)被預(yù)先裝載在人造皮膚中，可以通過(guò)光照觸發(fā)皮膚收縮變形來(lái)釋放信號(hào)化學(xué)物質(zhì)。此外，皮膚中內(nèi)置了一個(gè)固有的傳感器，用于感知環(huán)境電荷信號(hào)。當(dāng)其接收到來(lái)自其他機(jī)器人皮膚釋放的化學(xué)物質(zhì)時(shí)，作為接收端的機(jī)器人皮膚可以表現(xiàn)出透明度變化和電信號(hào)變化。該研究設(shè)計(jì)的人造聚合物皮膚層間的化學(xué)通信的方法不僅能夠使化學(xué)物質(zhì)在兩個(gè)涂層之間轉(zhuǎn)移，還可以通過(guò)不同的路徑實(shí)現(xiàn)涂層之間的多重轉(zhuǎn)移，將這種方法提升到了更先進(jìn)的水平。

此外，每?jī)蓚€(gè)涂層中的載荷可以是不同的化學(xué)物質(zhì)?；瘜W(xué)物質(zhì)在皮膚之間轉(zhuǎn)移后，會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成所需的新的化學(xué)物質(zhì)。這一功能極大地增強(qiáng)了這種機(jī)器人感知系統(tǒng)的復(fù)雜性和微妙性，為機(jī)器人控制和交互的新可能性鋪平了道路。該工作以“Facilitating Inter-Skin Communication in Artificial Polymer Systems through Liquid Transfer”為題發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上。埃因霍溫理工大學(xué)博士生張東鈺為論文第一作者，埃因霍溫理工大學(xué)劉丹青教授為論文通訊作者 。

人造智能皮膚的光調(diào)控化學(xué)信息釋放原理

使智能皮膚從發(fā)送端釋放化學(xué)信息物質(zhì)的原理是基于紫外光誘偶氮苯的順?lè)串悩?gòu)化。具體來(lái)說(shuō)，偶氮苯異構(gòu)化使液晶分子有序度降低，液晶聚合物沿著分子取向方向收縮，并在垂直于取向方向的平面膨脹。在涂層配置中，由于對(duì)剛性基材的強(qiáng)粘附力，面內(nèi)膨脹受到限制。因此，垂直排列的聚合物涂層的厚度減少了5%，進(jìn)而導(dǎo)致孔隙收縮并對(duì)液體施加壓力，從而排出液體化學(xué)物質(zhì)。其中液體釋放的速率可以通過(guò)改變光源的強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行微調(diào)。

圖2 人造智能皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及光響應(yīng)性液體物質(zhì)的控制釋放原理

人造智能皮膚化學(xué)信息接收端的感應(yīng)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)接收到化學(xué)物質(zhì)的感應(yīng)，研究者將人造皮膚制備在帶有叉指電極（IDE）陣列的基板上，該陣列通過(guò)基于接收物質(zhì)電荷產(chǎn)生的電信號(hào)變化檢測(cè)傳輸液體的量。這里連接著人造皮膚的叉指電極兩端的動(dòng)態(tài)電阻被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)有化學(xué)物質(zhì)被接受到時(shí)，電阻產(chǎn)生瞬時(shí)下降。通過(guò)擬合電阻值和接收到液體化學(xué)物質(zhì)含量的函數(shù)，電阻值成為可以被解析的信號(hào)。

不僅如此，該化學(xué)信號(hào)傳輸過(guò)程被可視化，研究者將接收器的IDE與發(fā)光二極管燈泡及直流電源連接來(lái)創(chuàng)建串聯(lián)電路。當(dāng)接收到液體化學(xué)物質(zhì)后，接收器的電阻驟降，并引起電路中的電流增大，從而啟動(dòng)LED燈泡發(fā)光。

圖3 基于電荷信號(hào)感應(yīng)實(shí)現(xiàn)化學(xué)通信過(guò)程中的信息接收

人造智能皮膚通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)圖案化信息傳遞和接收

為了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)該化學(xué)信號(hào)傳輸系統(tǒng)，研究者向發(fā)送端和接收端涂層分別填充了載有硫氰化鉀和三氯化鐵的液體。選擇這些特定試劑是因?yàn)樗鼈兡軌蚍磻?yīng)產(chǎn)生有色產(chǎn)物，促進(jìn)直接視覺(jué)信號(hào)傳導(dǎo)。圖4清楚地表明，在暴露于紫外線照射下時(shí)，液體傳輸使得涂層接觸的區(qū)域幾秒鐘內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的紅色。

在此過(guò)程中，研究者繼續(xù)升級(jí)了裝置設(shè)計(jì)，在輸入光源信號(hào)和發(fā)送端涂層之間插入光掩模，如圖4所示。當(dāng)光信號(hào)輸入到發(fā)送端后，光掩模上包含的圖像信息就會(huì)被印到接收器。印記在接收端皮膚上的圖像可以停留1小時(shí)以上，并且可以用水擦除。通過(guò)利用這種遠(yuǎn)距離傳輸方法，可以實(shí)現(xiàn)500 μm的圖像打印分辨率。

圖4 化學(xué)反應(yīng)用于化學(xué)通信中圖案化信息的接收

總體而言，該項(xiàng)工作為智能通信材料的開(kāi)發(fā)提供了一種思路，該方法成功地模擬了生物傳感系統(tǒng)中復(fù)雜的交互過(guò)程，從而為機(jī)器人傳感和控制相關(guān)領(lǐng)域的新發(fā)展鋪平了道路。未來(lái)的努力將致力于探索智能皮膚中嵌入多個(gè)傳感器的協(xié)調(diào)性及其更好的適應(yīng)性，使機(jī)器人在各種復(fù)雜場(chǎng)景中更具協(xié)作性和高效性。

論文鏈接： https://doi.org/10.1002/adma.202312428






審核編輯：劉清