可拉伸8倍的柔性离子导体与人造神经



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哈佛大学锁志刚团队研发的离子导线，打开人造神经和柔性机器之门。看视频吧，导线拉伸数倍，美妙音乐不改。。。

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视频1：利用可拉伸离子导线听音乐。

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当你被叮咬到动手去打蚊子时，当你踩到钉子而抬起脚时，当你被冷风吹得直打哆嗦时，你的身体是如何对外来刺激做出反应的？皮肤作为天然的传感器，一旦受到刺激，会产生电信号，并通过传入神经将信号传递给大脑，经过大脑处理后，将反馈信号由传出神经传递给肌肉，从而做出反应。可以看出神经具有传递电信号的功能，那么可知神经的物理本质即是导体。与我们熟知的导体如金属、石墨（通过电子迁移导电）等不同，单个神经元是通过离子的移动而传递信号，因而属于离子导体。神经元处于多离子的水环境中，在未受到刺激的情况下，神经元细胞内外维持着电荷平衡；受到一定程度的刺激后，神经元的自我机制使得细胞内外的离子以一定方式流动，在细胞膜内外产生动作电位。这个电位信号能够在神经元细胞膜表面传播。神经元之间则通过释放递质相互刺激，进而传递信号。

模拟神经元上电信号的传播，是否可以制造柔性的人造神经呢？近年来，柔性导体一直是人们关注的热点。来自哈佛大学和西安交通大学的科研团队首先提出了模拟神经元轴突传导功能的离子导线。美国工程院院士、iMechanica网站创始人、哈佛大学终身教授锁志刚博士是软物质研究的领头人之一，他在软物质方面的研究成果先后发表在自然、科学等国际顶尖杂志上。他指导西安交通大学的研究生开发了一种基于离子导电的高透明、可拉伸离子导线（Ionic Cable），成果发表于力学和材料学科的新秀杂志Extreme Mechanics Letters上。该离子导线中使用的离子导体是一种溶解大量电解质的水凝胶。水凝胶是一种特殊的功能性软物质，由一种或多种高分子聚合物作为溶质，水作为溶剂组成。由于大量地含有水（70-90%以上），水凝胶中可以溶解电解质，如氯化钠（食盐）。其实水凝胶在我们的日常生活中很常见，如豆腐、凉粉、果冻等等。有机合成的水凝胶有着很好的力学性能，可够拉伸十几倍，能压缩到10%厚度而不被损坏，还能扭能摔，不像豆腐那样脆弱。通过对离子的调控，可以实现正常湿度范围内水凝胶含水量的稳定。研究者合成了一种导电水凝胶，并设计了三明治夹心结构的离子导线，这种导线能轻松拉伸到原长的8倍以上！

利用这一高透明、可拉伸的离子导线,研究者做了一件很有意思的事情:将一条耳机线从中间切断，然后用离子导线连接起来，再连接上手机，这样一来就能利用离子导线来听音乐！（见视频1）这意味着将来你将可以拥有一条透明的可以随意拉伸的耳机线了。首先，离子导线是透明的，这样耳机线可以“隐形”了；其次很短的一条离子导线，可以在需要的情况下拉伸很长，这样就避免冗长的导线打结等让人头疼烦恼的事了。有趣的事还没完，了解电池的人都知道，离子和电子在一起是有可能发生电化学反应的。然而，这种反应并非不可控制。研究者利用这种透明的离子导体，在避免了电化学反应的前提下，传递了电功率，点亮了LED灯。（见视频2）

视频2：利用可拉伸离子导线，点亮LED灯。

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使用这种导线连接各种元件，信号衰减程度如何？通过理论的计算和实验的测量，对于1米长的离子导线，信号的衰减是可以忽略的，如果将这种导线用在机器中是没有问题的。除了声音信号(20-20kHz),离子导线还能传递0-100MHz范围内的电信号。这意味着日常生活中很多频段的信号（模拟信号、数字信号、声音、图像等等）都可以使用离子导线来传递了。那么，如果用离子导线来听歌或者看视频，会不会产生延迟呢？理论证明，这种信号线的传输速度可以高达107 m2/s，比液体中离子的扩散速率10-9 m2/s高出了16个数量级！想想看，人体神经传输电信号的速度可以高达大约100 m/s，人体可以瞬间感受到刺激并做出反应。所以，利用离子导线来传递信号，不会出现延迟；并且将该离子导线比例地放大或缩小，其传递电信号的能力是相同的。这对于离子导线的微型化具有重要意义。离子导线传递电信号的性能从材料结构到尺寸设计等方面都可以进一步提升。离子导线在柔性电子器件、柔性机器人等广泛领域都存在着潜在的应用价值。

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