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未来，我们生活中的大部分工作将会被机器人取代。这些机器人不应只是冰冷的钢铁机器，而是表面可覆盖有与人体皮肤类似的材料，具备感知运动信息并识别所接触的物体的能力，反馈给机器人做出相应的动作处理，就像人类的双手一样。人工运动和触觉感受器（Artificial motion and tactile receptor, AMTR）是一种能够实时感知物体运动和识别不同材料的智能平台，是交互式人机界面的推动者。目前亟需开发一类有效模仿人体皮肤的组成、结构、力学和多功能性的AMTR。

近期，上海科技大学物质科学与技术学院的凌盛杰课题组开发了一种基于丝素蛋白的离子弹性体（Silk Fibroin Ionoelastomer, SFIE），可以模仿人类皮肤的组成和功能。通过分子结构设计和功能集成的策略，结合机器学习与物联网技术，他们将SFIE集成到机器人的手指上，SFIE- AMTR能够感知运动并准确分类不同材质的物体。在智能分拣、软体机器人和虚拟现实领域具有广泛的应用前景。

具体而言，通过吸湿诱导无定形的丝素蛋白离子导体（Silk Fibroin Ionotronics, SFI）的受控结晶来制备SFIE。SFIE由密集的分子缠结与稀疏、均匀分散的纳米晶交联组成的双网络结构构成。其中，密集的缠结使张力能够在聚合物链中沿其长度方向传递到其他分子链，同时，稀疏的纳米晶交联阻止了聚合物链的解开。（图1）得益于这种双网络结构，SFIE很好地平衡了拉伸性、抗拉强度和弹性。与SFI相比，SFIE在保持了良好的可拉伸性的同时（拉伸超过自身长度的12倍而不发生破裂），杨氏模量提高了17倍，力学滞后约为25%。此外，SFIE的真应力-伸长率曲线呈现指数级增长，显示出明显的应变硬化现象，这是皮肤等软生物弹性体的典型特征。（图2）

图1 SFIE的结构表征 a）吸湿诱导过程中 SFI 的时间分辨傅里叶变换红外光谱b）SFIE的交联结构c）SFIE的红外光谱中酰胺I峰的分峰结果d）SFIE的广角X射线散射图e）β折叠以及对应晶胞的尺寸 f）SFIE的广角X射线散射分峰结果。

图2 SFIE的力学性能 a）SFIE的透明性展示b）SFIE 的强度展示c）SFIE和SFI的真应力-伸长率曲线（左）和链结构（右）d）SFIE的杨氏模量和韧性与其他代表性软材料的对比。e）SFIE的杨氏模量和失效应变与其他软材料和天然生物材料的对比。f）SFIE 弹性的展示，链结构变化的示意图（上）g）SFIE的循环拉伸曲线 h）SFIE在一个周期内的小角X射线散射图。

在功能设计方面，作者使用与SFIE具有类似力学性能的VHB胶带（由聚丙烯酸酯构成）对SFIE进行封装，构建SFIE-AMTR。得益于SFIE良好的力学性能以及导电性，SFIE-AMTR具有灵敏的机电响应性（即其电阻随应变线性变化），可以实现对人体各种运动器官遭受的大部分变形的精确监测，包括手指、手腕、手肘以及膝盖，应变范围从0%到100%。（图3）此外，当SFIE-AMTR与其他物体接触-分离时，会产生可重复的摩擦电信号。由于不同物体的电负性差异，其与SFIE-AMTR产生的摩擦电信号也会存在细微差异。利用这一特点，他们使用机器学习分析信号中微小而复杂的特征，结合物联网技术，实现了对不同材质小球的识别与抓取分类。（视频1）在600余次识别和分选测试中，成功率达92.3%，表明SFIE-AMTR在分拣机器人等领域具有应用潜力。

图3 SFIE-AMTR对人体运动的监测 a）SFIE相对于拉伸变形的阻力变化 b）SFIE-AMTR实时监测人体各种运动器官的运动的示意图c）SFIE-AMTR 对手指弯曲的检测 d）SFIE-AMTR对手势的检测 e）SFIE-AMTR对膝盖弯曲的检测 f）SFIE-AMTR对手腕弯曲的检测 g）SFIE-AMTR对手肘弯曲的检测。

视频1 SFIE-ATMR对不同材质的小球进行精确识别与分拣

该工作以“An Artificial Motion and Tactile Receptor Constructed by Hyperelastic Double Physically Cross-Linked Silk Fibroin Ionoelastomer”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。上海科技大学曹雷涛博士、盐城工学院讲师叶超博士与上海科技大学硕士研究生张豪为本论文的共同第一作者。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202301404