作为一种新型力致电的方法，离子压电效应最近在柔性电子领域很火，还在2022年登上《Science》期刊。它是利用机械刺激下引起离子分离来产生电信号，和生物体的用离子传到的电信号有相近之处（图1），都是电压较小且电流较大。另外，它与皮肤神经中门控离子迁移的机理有类似的地方。所以它展现了在神经调控方向与机器人神经形态的触觉传感方向的应用潜力，具有极高的研究价值。然而目前关于其机理和高灵敏响应的研究还尚未成熟，需要探索的新的方法并且形成新的理论，此外能否让离子压电信号有类似神经动作电位的门控行为还未能知晓。
近日，东北大学的王舒禹副教授与北理工的化麒麟研究员合作的研究报道了离子压电的新现象，他们发现在PAM/PVA/PEDOT:PSS水凝胶中可以产生不同于以往线性响应的强非线性门控行为，它有点类似于生物神经的门控现象，并且阐释了其底层机理。相关工作以“Unveiling Gating Behavior in Piezoionic Effect: toward Neuromimetic Tactile Sensing”为题发表在《Advanced Materials》上。
研究报道了材料在受到超过阈值的压力作用时，能够产生显著增强的电压和电流信号，分别最高可达到600 - 700 mV（图2b）和7 mA，远远超过常规离子压电材料的响应范围。而当作用力低于阈值压力时，材料只产生约mV级别的电压（图2a），相差两个数量级，这就相当于针对不同强度的压力刺激形成了一个开关。
为了深挖造成这一独特的门控行为的底层机理，研究人员利用仿真研究，发现其原因在于该材料阴、阳离子扩散速率有显著差异(大于两个数量级)，造成的分子机理在于加入PEDOT:PSS后阴阳离子-分子间作用显著不同。当施加的压力超过一定阈值时，负电荷在按压区域附近堆积，所以阴离子浓度梯度飙升，进而产生显著的电压和电流信号（图2c,e）。举一个形象的例子，这就好比交通流量猛然增大的时候，汽车（对应阴离子）堵塞走不动，而自行车（对应阳离子）仍然可以自由穿行。
研究人员用电化学测试巧妙验证了加入PEDOT:PSS后阴阳离子扩散速率的变化。具体而言，从等效电路中作者发现加入PEDOT:PSS后阴阳两极的电容比值会显著增加（图3c），这对应阴阳两极对电荷储存能力极大变化，进而说明了电解液中阴阳离子扩散率的极大差距。另外，作者还提供了离子压电中非线性现象产生的理论分析，通过严格的理论推导证明了离子-离子相互作用在非线性响应中的作用，具体请参考文章的方法部分。
这种新型门控行为类似于生物神经系统中非线性的信息处理模式，具体而言，生物体的触觉传感对于正常轻微触碰与疼痛的重压会产生完全不同量级的电信号。利用离子压电水凝胶中的门控行为，研究人员还将其附在假肢的橡胶皮肤之下，可以使其区分正常的人手触碰和尖锐物体的刺激（图4a-e）。类似的还可以将水凝胶附于机械手的表面，区分抓取物体的压力和触碰到钉子的刺痛，相当于在硬件层面做了信号分类，还不需要额外的元器件。这种信号的不同结合机器人操作系统可以实现控制反馈，使机械手躲避有害机械刺激（图4f-j）。最后这种仿神经形态的触觉感知方式还具有自供电、易加工、可轻易扩展成大面积的优点。
图 1 生物体触觉感知与离子压电传感的对比图。a) 当人的手感知到外界刺激时，离子通道的门控机制决定了离子流的大小，从而引起膜电位的变化。强烈的刺激可以超过阈值并触发动作电位，而较弱的刺激则不能。随后，感知信号通过神经通路传递到大脑。b) 同样地，基于压电离子水凝胶的离子皮肤也展示了类似的门控行为。通过与机器人系统的集成，压电离子传感器可以处理感知信号以区分无害和有害刺激。
图 2 用仿真与实验对离子压电门控行为研究分析。a) 使用1.4牛顿力（b）和14牛顿力进行阶跃压痕时水凝胶的电压响应。模拟结果与实验结果相匹配。样品的厚度为8毫米。c) 在小力和大力压痕下水凝胶的示意视图，展示了静电势、离子传输和门控行为。d) 在14牛顿力作用下阶跃响应1秒后的模拟阳离子通量。e) 在14牛顿力作用下阶跃响应1秒后的模拟阴离子通量。f) 在1.4牛顿压缩期间模拟阳离子通量的分解。g) 在1.4牛顿压缩期间模拟阴离子通量的分解。h) 在14牛顿压缩期间模拟阳离子通量的分解。i) 在14牛顿压缩期间模拟阴离子通量的分解。
图 3 水凝胶的阻抗特性。a) 水凝胶及其对应的等效电路的Nyquist图。b) 水凝胶样品的电容与频率之间的关系。c) 不同水凝胶样品中两电极（Ce1 和 Ce2）之间的电容比。d) 不同水凝胶样品的电导率比。
图 4 利用离子压电效应实现假肢、机械手对温和触碰与疼痛刺痛的感知分类。a) 假肢和离子皮肤实验装置的示意视图。装置的横截面照片被放大。b) 假肢受到轻触的照片。c) 在重复轻触下离子皮肤的电压响应。d) 假肢受到强烈触碰的照片。e) 在强烈触碰下离子皮肤的电压响应。f) 机器人手及其反馈运动控制图的实验装置示意视图。g) 机器人手抓取烧杯的照片。h) 在抓取小型烧杯时离子皮肤的电压响应。i) 机器人手抓取钉子的照片。j) 在强烈触碰下离子皮肤的电压响应。机器人手避免有害刺激。
总结：本研究发现水凝胶的离子压电效应不仅可以呈现线性的电压响应现象，还可以在机械刺激下展现出门控行为，类似于在生物神经元中观察到的机械门控现象，并且产生的电压可以高达700 mV，远超之前研究。这一新的突破不仅推进了神经形态压力传感器的发展，还加深了对于离子压电机制的基本理解，为未来机械手和假肢的触觉传感设计提供了新的思路。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202405391
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