自供电柔性电子皮肤在视觉图像识别和生物行为干预方面的研究

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人类通过触觉、视觉、嗅觉、听觉和味觉等感知方式来感知周围的环境。近年来,随着微纳技术和可穿戴电子产品的发展,科研人员广泛探索了用于检测环境变化或身体活动的新兴电子皮肤,模拟和仿生人体皮肤来感知周围环境变化,进行感官替代。视网膜是位于玻璃体后的关键膜状组织,可实现视觉图像识别,直接检测光信号并将生物电信号输出/传递到神经系统。在未来的医疗护理中,视觉电子皮肤作为与人体结合的人工视网膜,在视觉修复或拓展中将会发挥重要作用,比如帮助盲人重新看到蓝天或高风险工作者看到紫外线。目前,一些研究小组已经报道了各种柔性光电探测电子产品,这种装置的一般设计思路是构建一个集成的柔性系统,包括光电探测器阵列、信息分析仪、信号发射机和电力单元。系统中复杂的集成单元增加了生产成本,给系统的推广带来困难。因此,无需电池或可自我维持的视觉电子皮肤因具有低成本和长寿命的特点,在人造眼和人工智能中将会具有潜在的应用价值。此外,如何将光探测信号输入大脑,参与视觉感知和相关行为干预也是需要解决的问题。因此,本文利用Ppy/PDMS摩擦电-光检测像素寻址阵列,实现了一种新的模拟视网膜的脑连接视觉电子皮肤。该电子皮肤可以由人的运动驱动,所以在光探测和信号传输过程中都不需要外接电源。具体内容如下:(1)合成自供电柔性电子皮肤:在制作过程中,我们先后使用了光刻法、印刷电路板技术、PDMS软模板法、电子束蒸发法、电化学聚合法、电感耦合等离子体法等技术。柔性PDMS膜(4 cm×3.5 cm×0.5 cm)不仅作为器件的柔性衬底,而且作为负摩擦电材料。在PDMS膜的顶部,采用光刻法制作了一层纳米网状电极,用以沉积Ppy。在PDMS膜的另一侧,通过真空电子束蒸发镀了一层铜电极(厚度=100 nm)用于采集电流信号。顶部的铜电极镶嵌在PDMS膜中,Ppy通过电化学工作站沉积在铜上。Ppy即作为摩擦材料又作为光探测材料,是整个电子皮肤中最重要的一部分。(2)光探测:电子皮肤的摩擦电输出明显依赖于光的照度,它可以作为视觉仿生电脉冲。以蓝色光照(405纳米)为例,当电子皮肤受到100 μWcm-2的蓝色光照时,输出电流从7.5 nA减小到4.9 nA,光响应为34.3%。在不同的弯曲角度和受力情况下,电子皮肤的响应保持稳定。电子皮肤具有足够的柔韧性,可以与人体结合,通过眨眼等微小运动驱动,用来探测紫外线。此外,电子皮肤上的4×4光探测单位矩阵可以通过多通道数据采集方法映射单点和多点光照刺激(既视觉图像识别)。(3)生物感知参与和行为干预:我们将视觉电子皮肤植入到小鼠大脑的初级运动皮层区(M1),这样电子皮肤发出的可受外部光刺激调节的摩擦电信号可以被视为输入脉冲,然后大脑可以对这些信息进行分析、解码和传递,使身体做出与光刺激对应的行为。我们观察到,当电子皮肤被剧烈敲击一次时,小鼠的尾巴迅速地抬起一次并落下,而若是输出的摩擦电信号达不到刺激小鼠大脑M1区的阈值电流(受外界光照影响而减小),小鼠就不会有任何的反应。所以,这种新型视觉电子皮肤实现了生物感知参与和行为干预,对于仿生视网膜等可植入器件有很大的促进作用。
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