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電子皮膚仿生安班加豹變色龍

本篇介紹仿生安班加豹變色龍變色機制的電子皮膚,能透過各種觸覺加壓及不同力度的持續時間控制拉伸和變色,具有可拉伸、變色、和感測壓力等特性,未來可製造互動式變色穿戴或攜帶設備、監測承受的表面壓力、或開發仿生人造皮膚等
 
 
 

國史丹佛大學鮑哲南(Zhenan Bao)教授組成跨系研究團隊已研發一款互動式電子皮膚(e-skin,簡稱電子皮膚PSEC),能透過各種觸覺加壓及不同力度的持續時間控制拉伸和變色,由可拉伸的電阻壓力感應材料(pressure sensor,簡稱PS)和有機電致變色材料(electrochromic devices,簡稱ECD)整合製成,電子皮膚的顏色變化也可用來區分所承受之壓力。這款發明係仿生安班加豹變色龍(Ambanja panther chameleon,Furcifer pardalis)的皮膚變色機制,2015年8月在《自然通訊》(Nature Communications)期刊正式發表,最終目標是開發模仿人類皮膚功能和特性的仿生人造皮膚,應用於人工智慧和醫療等領域。

 

變色龍以變色聞名,其皮膚具備整合彈性、變色、和觸覺感應的複雜能力,透過潛意識控制變色,主因為情緒,以及光照、溫度、濕度等因素變換體色,表達情緒、身體狀況、調節溫度、偽裝、迴避捕食者、吸引配偶、和交流訊息。其中安班加豹變色龍體色最為華麗多變,是豹變色龍的許多品種之一,屬於爬蟲綱(Reptilia)有鱗目(Squamata)避役科(Chamaeleonidae),原產於馬達加斯加北部的安班加縣,各產地品種雖都是馬達加斯加的特有種,但均具特定原始體色可供區辨。變色機制是皮膚內含有色素、能反射光線、並發出彩虹色光芒的S及D上下重疊的兩層彩虹色素細胞(S-iridophores and D-iridophores),細胞內有許多不同形狀、尺寸、和排列的鳥嘌呤(guanine)奈米晶體(nanocrystals),這種奈米晶體屬於能控制光的週期結構,亦稱為「光子晶體」(photonic crystals)。

 

當豹變色龍改變S彩虹色素細胞層細胞內光子晶體的排列結構,即可變化光的折射而改變皮膚顏色。皮膚放鬆時光子晶體排列緊密,較易反射短波長光線如藍色;皮膚緊繃時光子晶體排列鬆散、且間距增大,較易反射長波長光線如黃、橙和紅色等。在此之下的D彩虹色素細胞層細胞內光子晶體外形相對較大,功能為智能隔熱板,與變色無關,能反射近45%的近紅外線輻射能量,可幫助保持涼爽。透過調整S彩虹色素細胞層細胞的放鬆及舒張與D彩虹色素細胞層細胞的相輔相成,透過調整S彩虹色素細胞層細胞的放鬆及舒張與D彩虹色素細胞層細胞的相輔相成,有更多彈性調控熱能,得以生存適應於不同氣候環境。

 

研究團隊仿生安班加豹變色龍的變色機制,研發電介質壓力感應及有機電致變色兩種材料,前者由彈性微結構聚合材料製成,能隨壓力改變電壓,是最關鍵的功能;後者由彈性電致變色聚合材料製成,能隨電壓變紅或藍。他們先以矽模製作具有高34微米(μm = 10-6m)、頂部10×10平方微米、基底50×50平方微米、和塔間間距41微米的金字塔微結構的聚二甲基矽氧烷(PDMS),表面噴塗單層碳奈米管(single-wall carbon nanotubes,簡稱SWNT),再用1、10、30千帕(Kpa,Kpa=103Pa=103N/m2,壓強單位,等於每平方公尺103牛頓)三種不同壓力調整SWNT在PDMS金字塔微結構上的高度,最後在上方置放含SWNT塗層平坦表面PDMS的相對電極(counter electrode),完成高敏感、透明、可拉伸、和可調整電阻範圍及電阻切換閾值的柔性PS電介質壓力感應材料。由於SWNT具導電功能、柔軟性佳、可拉伸兩倍以上、回復時形成小彈簧狀並保持高導電率,塗布於透明的PDMS表面亦呈現透明度,使製成的電子皮膚可模仿人類不同膚色,兼具觸摸和正常握力性能,達到可互動效果。

 

有機電致變色材料則選用能與壓力感應材料整合,兼具易製造、多色、可協調顏色、和低功耗等特性的材質,他們以具彈性和生物相容性的PDMS為基板,噴塗SWNT薄層作為透明電極,再旋塗電致變色層的聚3-己基噻吩(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl),簡稱P3HT),形成聚合物薄膜,然後刷塗凝膠電解質,最後在上方置放含SWNT塗層平坦表面PDMS的相對電極製成。變色聚合物P3HT中性時顯示深紅色,最大吸收波長為550奈米(nm=10-9m);氧化時呈現淺藍色,最大吸收波長為800奈米。若以1.2微米超薄聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate,簡稱PEN)或聚酯(聚對苯二甲酸乙二醇酯,polyethylene terephthalate,簡稱PET)膜取代原始的PDMS基板層,可製成每平方公分僅重9.3毫克(相同面積混紡棉重16.7毫克)、適用可穿戴電子產品的超輕薄有機電致變色材料。

 

測試時研究團隊把壓力感應材料貼在絨毛泰迪小熊的熊掌,並連接小熊腹部的電致變色材料。當輕握(壓力約50千帕)熊掌時,暗紅色的電致變色材料變成藍灰色,鬆手即變回暗紅色;大力(約200千帕)壓握時則變成淡藍色。證明手握的壓力使壓力感應材料電阻下降,造成電致變色材料的電壓升高,P3HT的化學結構改變而影響其吸收光譜,導致顏色變換,壓力消除後會迅速逆轉回復原色。雖然目前僅能在紅、藍色間轉變,若改用其他種電致變色材料就能呈現更多顏色。

 

結合兩種材料製成的仿生電子皮膚首創可拉伸、變色、和感測壓力三項特性,未來可與衣服、智慧型手機、智能手錶等可穿戴或攜帶設備整合各種顏色,成為互動式裝飾、或用來表達情緒;亦可利用感測壓力特性分辨承受的表面壓力,監測士兵操練時的健康;還能研發模仿人類皮膚的外觀及功能,廣泛運用於人造義肢、有觸覺的智能機器人等方面。

 

(以上新聞編譯自2015年8月24日發行之Nature Communications期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
  • 豹紋變色龍。2017。台灣Wiki,2017/02/14。
  • 豹變色龍Panther chameleon。2017。物種概述。動物世界,2017/02/15。
  • 臧亞萍、狄重安、朱道本。2016。“觸動"腦神經的電子皮膚。科學通報。
  • Teyssier, J, S. V. Saenko, D. van der Marel, and M. C. Milinkovitch. 2015. Photonic crystals cause active colour change in chameleons. Nature Communications, 6: 6368-1-7 (+6pp. Supplementary Information).
來源:
  • Chou, H-H., A. Nguyen, A. Chortos, J. W. F. To, C. Lu, J. Mei, T. Kurosawa, W.-G. Bae, J. B.-H. Tok, and Z. Bao. 2015. A chameleon-inspired stretchable electronic skin with interactive colour changing controlled by tactile sensing. Nature Communications, 6: 8011-1-10 (+ 3pp. Supplementary information).
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