眾所周知，就機器人領域而言，金屬材質的優勢就是具有耐久性、導電性、高強度。但同時，它們往往很沉很重，且具有剛性，這些特性對於柔性的可穿戴系統及人機介面來說，必定是不可取的。
而水凝膠的特徵與大多數金屬相反－重量輕，具有延展性和生物相容性，是製作隱形眼鏡和組織工程支架的極佳材料，但其導電能力很差，而導電能力恰好是數位電路和生物電子應用中不可或缺的。
近日，卡內基美隆大學（Carnegie Mellon University）軟體機器人實驗室的研究人員Carmel Majidi 和團隊開發出一種銀-水凝膠複合材料，這種材料不但具有高導電性，而且還能在直流電傳遞過程中，仍保持變形性、順應性。
研究結果於發表在《自然電子》（Nature Electronics）雜誌上，標題為《一種用於軟電子的導電銀-聚丙烯酰胺-海藻酸鹽水凝膠複合材料》（An electrically conductive silver–polyacrylamide–alginate hydrogel composite for soft electronics）。
首先，他們將微米大小的銀片懸浮在聚丙烯醯胺-海藻酸鹽水凝膠基質中，然後經過部分脫水過程後，薄片就會形成一種能夠導電，並且可以抗機械變形的滲透網絡，之後對脫水和水合過程進行控制，可以黏貼或分開薄片，進而形成可逆的電氣連接。
先前人們試圖將金屬和水凝膠結合在一起的相關探索，顯示在提高導電性的同時，總是會帶來順應性和變形性的降低。 Majidi 和團隊利用先前在開發可伸縮液態金屬等方面的專業知識來攻克這項挑戰。
銀-水凝膠複合材料具有一系列特性，包括順應性、變形性以及導電性，使其成為軟體機器人中極佳的軟導電材料。為了展示這種材料在軟體機器人領域的潛力，他們製作了一個受黃貂魚啟發的軟性游泳器，其由一對水凝膠胸鰭和由軟泡沫製成的流線型脊椎骨組成。
圖 | 受魟魚啟發的游泳者特寫（來源：Carnegie Mellon University）
他們將水凝膠胸鰭與兩組銀-水凝膠痕跡進行組合，形成相容的界面。柔軟的導電痕跡即為電線，將高電流（約3.3 A）從桌上型電源傳送至一對形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）致動器上，同時能夠不干擾水凝膠胸鰭的自然變形性和順應性。三層 VHB 膠帶夾在兩根 SMA 導線中間組成軟致動器，直接利用電阻加熱，可使致動器上下交替彎曲。
為了誘導一個向前的游泳運動，他們將上面的一對SMA 絲激活0.6 秒，然後冷卻1.9 秒，而另一對SMA 絲分別激活並冷卻0.3 秒和2.2秒，然後向上和向下的驅動循環以0.9 秒的偏移週期錯開。實驗證明，受黃貂魚啟發的游泳者，前進時的平均速度為每秒0.2 體長，這個演示通過攜帶高電流來激活嵌入的SMA 驅動器，突出了銀-水凝膠的導電性和穩定性。
「這種新型複合材料具有高導電性和高順應性（或'粘稠性'），在生物電子學和其他領域有很廣闊的應用前景。例如，帶有訊號處理感測器的大腦貼紙，能夠為電子設備供電的可穿戴發電裝置，以及可伸縮的顯示器。」卡內基美隆大學軟體機器人實驗室的機械工程教授Carmel Majidi 解釋道。
據悉，這種銀-水凝膠複合材料可以透過模板光刻等標準的印刷方法進行印製。利用這種技術，研究人員能開髮用於神經肌肉電刺激的皮膚電極。
「這種複合材料可以覆蓋人體的大部分區域，就像皮膚上的第二層神經組織一樣。」Matidi 表示。
為了驗證銀-水凝膠複合材料作為電極在表皮電刺激和記錄領域的應用潛力，該團隊專門製作了銀-水凝膠電極，為神經肌肉電刺激（ neuromuscular electrical stimulation，NMES）提供高頻電訊號，以證明這種複合材料的生物電子特性。
圖 | 神經肌肉電刺激電極 （來源：Carnegie Mellon University）
他們先將一組銀-水凝膠電極與商用的肌肉電刺激器連接在一起，然後利用智慧型手機的藍牙功能對脈衝的強度、頻率進行控制。為了形成對比，他們還製備了具有離子導電性的非填充水凝膠電極，並在相同條件下進行了 NMES 實驗。實驗結果顯示，銀-水凝膠電極的性能與商用的 NMES 電極相當。
並且，該技術在未來的應用還可能包括肌肉疾病和運動障礙的治療，例如例如為中風後難以用手指抓握東西的患者以及易顫抖的帕金森症患者提供幫助。
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