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近年来，材料科学和康复机器人领域的进展显示出主动假肢与工具和物体交互的巨大潜力。未来主动假肢的关键需求是实现逼真的触觉反馈。尽管已取得显著进展，传统触觉传感器仍无法完全再现类人感知，这可能归因于其根本不同的传感机制。本研究提出了一种皮肤启发的人工机械感受器，由
近年来，材料科学和康复机器人领域的进展显示出主动假肢与工具和物体交互的巨大潜力。未来主动假肢的关键需求是实现逼真的触觉反馈。尽管已取得显著进展，传统触觉传感器仍无法完全再现类人感知，这可能归因于其根本不同的传感机制。本研究提出了一种皮肤启发的人工机械感受器，由填充NaCl电解质的微流控通道组成，并嵌入柔软的弹性体薄膜中。固有的表面化学性质在通道内诱导非均匀离子分布。机械刺激扰动该分布，导致电位变化。与基于纯电子传导的传统传感器不同，所提出的自供电机械感受器通过离子相互作用运作，类似于生物机械感受器。产生的信号表现出时间特征，如过冲和欠冲，类似神经去极化和复极化。频率分析显示在440 Hz附近有一个显著峰值，与帕西尼机械感受器的工作范围一致。输出电位强烈依赖于离子浓度，最优值约为5 mM NaCl。所提出的机械感受器通过离子方式调节介质中的电位，在改善神经相容性方面具有强大潜力，并有望在未来假肢中提供更真实的触觉感知。
近年来，材料科学与康复机器人技术的进步推动了主动假肢的发展，其关键挑战在于实现真实的触觉反馈。然而，现有触觉传感器主要基于压阻、压电、电容和摩擦电等电子传导机制，其信号本质由电子传输主导，与生物体依赖离子传输的神经编码机制存在根本差异，因而难以完全复现人类皮肤的复杂感知能力。为解决这一问题，研究人员提出了一种仿生人工离子机械感受器（AIM），模拟生物机械感受器中的压力驱动离子流动机制。
研究人员设计并制造了一种由微流控通道连接的弹性体器件，通道内填充NaCl电解质。设备无需外部电源，依靠机械刺激引起的离子流动产生流动电位，从而实现自供电的触觉感知。该研究发表于《Advanced Functional Materials》。其重要意义在于首次展示了基于压力驱动离子流动的流动电位传感原理，为下一代生物集成假肢和神经接口提供了新范式。
在技术方法上，研究人员采用软光刻技术制备SU-8模具，并浇铸PDMS形成顶层结构（含储液器和微通道）；底层PDMS通过旋涂制备，并利用电子束蒸发沉积金电极，结合光刻和湿法刻蚀图案化。顶层与底层经HMDS处理和氧等离子体活化后键合。器件表征采用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和光学显微镜；性能测试使用压电驱动平台、负载传感器和LabVIEW控制的DAQ系统。人体验证实验获得了受试者的知情同意。
以下为研究结果的主要发现。
### 概念与机制
研究表明，AIM的工作原理基于通道壁表面电荷形成的双电层（EDL）。当按压储液器上方薄膜时，压力梯度驱动流体在微通道内流动，剪切EDL并拖曳扩散层中的反离子，产生流动电流，进而在电极间形成流动电位。该电位的大小和方向与刺激强度和方向直接相关。
### 制造工艺
采用多层SU-8光刻制备模具，结合3D打印垫片控制顶层PDMS厚度，形成约70μm深的微通道和270μm深的储液器。底层金电极厚度约45nm，蛇形走线设计用于适应机械变形。键合后的器件显示出良好的机械稳定性。
### 表征
SEM和AFM显示，模具和PDMS复制的尺寸误差低于1%，表面粗糙度约15nm。金电极边缘清晰，厚度均匀。拉伸测试表明，在4%应变下蛇形电极电阻变化微小；弯曲测试中相对电阻变化小于1.5%，其中S型电极因初始电阻低被选用。
### 性能研究
典型信号显示，刺激时电压快速上升至峰值，保持期间因离子扩散略有下降，释放时出现反向过冲和欠冲，随后恢复至基线，这与快速适应型生物机械感受器的动态响应相似。快速傅里叶变换（FFT）分析显示信号主频约442.5Hz，落在帕西尼小体敏感范围内。循环刺激测试表明，传感器存在恢复时间，有效工作频率范围为0.5–7Hz。温度实验显示20–36°C范围内信号变化约6%，弯曲实验表明曲率对响应影响较小。三个独立器件的峰值电压偏差小，2000次循环后RSD约3.4%。参数研究表明，峰值电压随通道宽度和长度增加而增加，但分别接近140μm和3mm时饱和；NaCl浓度存在最优值5mM，由电荷载流子数量与扩散层厚度之间的权衡决定。刺激深度、速度和增大力均提高峰值电压，速度灵敏度为0.06mV/mm，力灵敏度为0.05mV/g。传感器响应延迟通过相对上升时间（RTR）评估，RTR随位移和力增加而增加，随速度增加而减小。
### 未来应用
将AIM集成到软体假肢手的手指和拇指上，成功检测到人体手指的触摸，并能够记录桡动脉脉搏。原始信号信噪比（SNR）约2.2，经标准滤波处理后提高到约8，可清晰识别动脉波形。
讨论部分，研究人员强调，AIM生成的信号波形具有初始过冲和随后欠冲的时间特征，这类似于快速适应型机械感受器的编码策略，能够作为接触起始和分离的明确时间标记，有助于动态触觉感知的稳健性。此外，这种时间相似性为未来与神经系统的生理兼容通信提供了潜力。然而，目前信号电压尚不足以直接激活神经元（阈值约20mV），因此需要外部放大或通过微通道表面修饰增强zeta电位来提高输出电压。尽管存在这一限制，基于离子流动的机械传导机制为下一代生物集成假肢提供了根本不同的传感范式。
结论部分，本研究提出并制造了一种人工离子机械感受器，用于未来机器人假肢，模拟生物机械感受器的传感机制。该装置通过微流道内压力驱动的离子传输运行，无需外部电源。软光刻制造使器件厚度仅为400μm，具备柔性。机械刺激引发溶液流动，产生流动电位将刺激转为电信号；移除刺激后，膜弹性使溶液回位，离子消散，传感器恢复初始状态。测量信号表现出与生物机械感受器相似的特征：上升至最大值、快速衰减并过冲、以及恢复到基线。频域分析显示主频在帕西尼小体范围内。性能测试表明输出信号与微通道几何、离子浓度、膜位移、触摸力和刺激速度等参数相关。该工作是首个此类人工离子机械感受器，进一步优化有望促进其实际应用。
