首页 > 行业资讯 > 【材料】受机械门控蛋白启发，力诱导离子生成的水凝胶实现纯水中高灵敏压力传感，用于静默通讯系统

【材料】受机械门控蛋白启发，力诱导离子生成的水凝胶实现纯水中高灵敏压力传感，用于静默通讯系统

时间：2023-02-05 来源： 浏览：

【材料】受机械门控蛋白启发，力诱导离子生成的水凝胶实现纯水中高灵敏压力传感，用于静默通讯系统

X-MOL资讯
X-MOL资讯

X-molNews

“X-MOL资讯”关注化学、材料和生命科学领域的科研，坚持“原创、专业、深度、生动”。公众号菜单还提供“期刊浏览”等强大功能，覆盖各领域上万种期刊的最新论文，支持个性化浏览。

收录于合集

注：文末有 研究团队简介 及本文 科研思路分析
人类敏感的触觉依赖于皮肤中的机械感受器，它在感受外部压力时可将机械力转化为电生理信号。触觉的形成过程为皮肤机械感受器上的机械门控离子通道，在外力刺激下Piezo压电蛋白打开，诱导离子进行跨膜运动，形成离子电流并通过神经元传递到大脑。那么如何模拟触觉产生的过程，开发灵敏的仿皮肤材料呢？
近日， 天津大学 化工学院 张雷 教授、 杨静 副教授团队报道了 一种全新的力诱导离子生成压力传感机制，即外力作用可使纯水体系的两性离子凝胶内部离子数量瞬时增加 。在两性离子水凝胶系统中，两性离子聚合物链上正负电荷基团之间的距离在外力作用下减小从而诱导周围的水分子发生解离，凝胶体系中离子数量增加，离子电流增强。此外，两性离子链上正负电荷基团还能够为生成的离子提供迁移的通道，促进离子的快速传输。该两性离子水凝胶作为一种新型的仿皮肤传感器能够在纯水环境下将压力灵敏的转化为离子电流，灵敏度是非离子型水凝胶的5倍，响应时间约为38 ms，与天然皮肤的响应时间相当。 该高灵敏度的两性离子仿皮肤材料能够用于开发新型静默通讯系统，将微小的喉部机械振动转化为无声语音。

图1.（a）人类皮肤的机械门控触觉传感机制和（b）两性离子水凝胶的力诱导离子产生传感机制示意图。图片来源： Nat. Commun.
基于高灵敏性PCBMA水凝胶的喉戴传感器克服了当前静默通讯技术所面临的可控性差、信噪比低的问题，能够在不借助声音和可识别动作的情况下实现用户之间或用户与计算机之间的无声通讯。本工作开发的通用的无声语音交流系统（TW-SSRS）信号识别准确率为95%，具有良好的用户适用性，运动适用性和抗干扰性，与目前开发的静默通讯手段相比具有显著优势。

图2. 喉戴静默通讯传感器示意图与信号展示。图片来源： Nat. Commun.

图3. 基于喉戴传感器的通用的无声语音识别系统（TW-SSRS）。图片来源： Nat. Commun.
这一成果近期发表在 Nature Communications 上，文章的第一作者是天津大学化工学院的博士研究生 徐思佳 和苏州大学物理科学与技术学院的 俞颉翔 教授。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Force-Induced Ion Generation in Zwitterionic Hydrogels for a Sensitive Silent-Speech Sensor
Sijia Xu # , Jie-Xiang Yu # , Hongshuang Guo, Shu Tian, You Long, Jing Yang*, Lei Zhang* 
Nat. Commun ., 2023 , 14 , 219, DOI: 10.1038/s41467-023-35893-7
通讯作者简介

张雷 ，天津大学化工学院生物化工系教授、系主任、博士生导师，国家自然科学基金优秀青年基金获得者。主要研究方向包括生物化工与合成生物学、低温保护、功能材料、海洋涂料等。已在 Nature Biotechnology, Nature Communications, JACS, Angew, Chemical Reviews, AIChE Journal, CES, Research, Engineering 等期刊发表论文100多篇。
https://www.x-mol.com/university/faculty/13314

杨静 ，天津大学化工学院副教授、博士生导师。主持国家级重点项目、国家自然科学基金、天津市基金、教育部博士后基金等项目。主要研究方向为细胞保存、仿皮肤材料、合成生物学等。已在 Nature Communications, Advanced Functional Materials, Chemical Reviews, Small, AIChE Journal 等刊物发表第一作者/通讯作者SCI论文近40篇。
http://zhanglab.tju.edu.cn/
https://www.x-mol.com/university/faculty/50327
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A： 我们的研究目的，是希望开发出能够模拟皮肤触觉的灵敏传感型仿皮肤材料，并能够为这样的材料设计提供思路和标准。目前报道的仿皮肤材料中，离子皮肤展现出诸多优势，能够作为离子机械感受器更好的模拟人类皮肤。但是我们了解到，目前所有与离子皮肤开发相关的工作中通常认为，离子皮肤的压力传感灵敏度依赖于外源离子添加物，而非材料结构本身。为此，我们想要将视角转到聚合物本身结构对于材料灵敏度的影响上，开发出本征灵敏的仿皮肤材料，并为新一代基于离子水凝胶的高灵敏仿皮肤材料理性设计提供思路。基于我们课题组前期在两性离子材料领域的大量研究工作，我们认为两性离子材料在开发本征灵敏的新型仿皮肤材料具有相当大的潜力。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A： 本项研究中最大的挑战是如何验证和归纳出仿皮肤传感机制，在这个过程中，我们团队在两性离子材料方面的经验积累起到了至关重要的作用，此外我们与相关专业的研究者一起合作，通过实验验证与理论计算相结合的方式最终归纳出了一种全新的力诱导离子生成机制。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A： 本研究成果获得的高灵敏仿皮肤材料除了可以用于开发能够检测喉部微小机械振动的通用的喉戴静默通讯系统外，还被证明在添加了低温保护剂的情况下仍表现良好的抗冻性能和传感性能，在开发低温高灵敏压力传感器具有应用优势。此外，本工作提出的本征高灵敏度仿皮肤材料的设计思路将为新一代离子皮肤传感器的理性设计提供新的启发。
点击“ 阅读原文 ”，查看  化学 • 材料  领域 所有收录期刊

版权：如无特殊注明，文章转载自网络，侵权请联系cnmhg168#163.com删除！文件均为网友上传，仅供研究和学习使用，务必24小时内删除。
相关推荐
热门信息