研究新進展:人造皮膚越來越接近真人皮膚

【2023年06月16日訊】(大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導)皮膚是人體最大的器官,有保溫、感知溫度和壓力、排汗等功能,富有彈性,還為人體提供一道屏障,隔絕多數有害的細菌、病毒、紫外線輻射等。目前,科學家們正在努力研製出具有這些功能的人造皮膚,希望最終用於人類假肢或機械人身上。

美國斯坦福大學(Stanford University)教授鮑哲南(Zhenan Bao)在2012年曾推出了第一個多層且能自癒的合成電子皮膚,但效果不夠理想。其後,該校的科學家們又研發出一款擁有高度自我修復能力的人造皮膚,它由有機硅膠(PDMS)、聚丙二醇(PPG)材料製成,可以像人類皮膚一樣伸展有彈性,且不容易撕裂。該研究成果本月初發表在《科學》雜誌上。

由於兩種材料都具有類似橡膠的電氣和機械性能,以及生物相容性,因此可以很好地混合其它納米微粒材料,實現良好導電性能。為此,他們在材料中加入金屬顆粒和導電炭讓其擁有磁性,可以讓皮膚自動對齊。

這兩種聚合物都具有加熱時會軟化、流動的特性,且有遇冷會凝固的優點。因此,當把這種合成皮膚加熱至70°C時,它就能在24小時內實現癒合,若在室溫下,癒合可能需要長達一週。

另外,他們還在聚合物中添加少量的異氰酸苯酯(MPU)和異佛爾酮二異氰酸酯(IU),形成自修復薄膜,讓皮膚經過加熱後都會軟化並流動,最終再度凝固。MPU能強化材料的彈性,而IU可以提高材料的韌性。

該校的克里斯托弗‧B‧谷巴(Christopher B. Cooper)博士對西南新聞社(SWNS)表示,「這是模仿人類皮膚的關鍵一步,人造皮膚由多層組成,在癒合過程中都可以正確地重新組裝。」

谷巴還表示,「儘管人類的皮膚能夠癒合,但癒合較慢。為此,團隊正在尋找不需額外干預就能快速恢復的人造皮膚。」

該團隊成員塞繆爾‧E‧魯特(Samuel E. Root)也表示,「團隊開發的人造皮膚,柔軟且富有彈性。如果你將它刺破、切片或切割,它的每一層都會有選擇性的自我癒合,恢復到最初的性能,就像真正的皮膚一樣。」

該論文的聯合作者趙芮可(Ruike Renee Zhao)教授補充說:「結合磁場引導導航和感應加熱,我們可以製作可重構的軟件機械人,它們可以根據需要改變形狀並感知變形。」

該團隊表示,未來的工作將使不同功能的皮膚層變得更加輕薄和更多功能,達到一層可以感知溫度變化,另一層可以感知壓力。

利用仿真人皮膚研究中暑原因

另外,亞利桑那州立大學(Arizona State University,ASU)在5月底發布的人形機械人安迪(ANDI),能夠自行發熱、顫抖、行走和呼吸,還能流汗和散熱。該校的研究人員認為,這款機械人可以幫助人們了解人體在溫度逐漸升高的環境下,是如何做出反應的。

科學家在安迪身上安裝了35個獨立的熱孔,這些孔用於人工出汗、感測溫度,同時內部帶有定製水冷卻通道,可以在整個身體進行循環冷卻,同時模擬和記錄人類對環境中熱量的反應。

安迪內部設有感應器,主要收集來自太陽的輻射、瀝青地面散發出的紅外輻射,以及空氣中熱對流循環等不同的數據。

研究人員將安迪放置在一個「熱室」(heat chamber)中,熱室可以控制通風、高達60℃(140℉)的溫度和太陽輻射,以使科學家觀察並記錄機械人在高溫環境下的反應。另外,該校的研究團隊還會在安迪身上覆蓋特殊織物,模擬汗液在皮膚覆蓋和蒸發的狀況,達到類似真人處於亞利桑那州悶熱環境,進行排汗讓身體冷卻的樣子。

由於每個人出汗程度皆不相同,因此研究人員會在試驗其間,依其體重、年齡和其它因素對不同的人做出不同反應,給安迪重新編程,以此推斷人們在酷熱環境下,需要經過多長時間會中暑和死亡。

美國每年有數千人死於中暑和其它與高溫有關的疾病。近年氣候變得更加極端,因此死於高溫的人數隨之增加。2022年在亞利桑那州的馬里科帕縣就有425人死於高溫,該數字遠比2021年的339人還多。

對此,亞利桑那州立大學可持續發展學院副教授、大氣科學家詹妮弗‧瓦諾斯(Jennifer Vanos)對該校新聞社表示,「由於我們不了解為何一些人在高溫中被熱死,而我們又無法將真的人類置於極端高溫環境,並測試會發生什麼事情,這是不道德的。但藉助安迪能幫我們解決這個問題。」

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