人体皮肤是一个迷人而多功能的器官,充满感觉神经元,使我们能够以惊人的精度和灵敏度感受外部刺激,如压力、应变、振动和温度。虽然这些属性在动物王国中普遍存在,但一些动物的皮肤对光线也有反应,赋予皮肤额外的感应和伪装功能。这些光响应特征最著名的是变色龙和一些种类的章鱼。
在生物模拟和仿生假肢领域中,理解皮肤的工作原理对于电子皮肤(e-skin)的发展是至关重要的。尽管电子皮肤能够模仿人类真皮的自然功能,并具有现代技术的潜力,但是人们会问:为什么要仅限于模仿人体皮肤呢?
来自新加坡国立大学和英国布里斯托尔大学的Swee Ching Tan教授及其同事就问了这个问题,并开发了一种灵活的、有潜力用作电子皮肤的生物电传感器,既有触觉又能感光。
有趣的是,该团队从植物身上而不是动物身上获得灵感。我们已经知道通过光合作用,一些植物能够利用从光合作用中获取的一小部分能量来展现感官能力,因此实现能量自给自足的。
通过直接从阳光中获取能量,电子皮肤原型为这种自给自足的皮肤修复铺平了道路。该生物电传感器由氧化锡-聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(ITO-PET)顶层和镀金的聚酯(PET)底层组成,光合蛋白RC-LH1和辅酶Q-0/琥珀腈凝胶基质的双组份配制。
在紫外线照射下,这种合成蛋白质的电子皮肤可以充当监视器。当使用者暴露在过多的紫外线辐射下时,可以发出警示。此外,因为电子皮肤也是光化学电池,能够利用入射光产生额外的电能。
当能量过剩,电子皮肤以电信号的形式对压力和触摸作出迅速反应。电子皮肤甚至在黑暗中或者在水下都能产生电子信号。该结果可以从下图中看出。
电子皮肤在水中(左)中通过触摸(右)发出电信号
据作者所知,这是第一款对来自两种不同刺激有响应的多种功能电子皮肤设备。希望将来这种生物电传感器可以连接到电子皮肤的小型电气设备提供电力,更多地应用到健康监测方面。
在可穿戴电子设备和技术生物学发展的未来时代,也许有了这种光合作用皮肤,我们与植物的共同之处将超过我们目前所理解的范畴。