在过去的几十年里，人类和机器之间发生了前所未有的融合，它们紧密地围绕着人体运转。尽管有这些进步，由坚硬、干燥和非生物材料制成的传统机器与柔软、潮湿和活的生物组织有很大的不同。这种差异严重限制了人与机器之间长期、可靠和高效的接口。为了弥补这一差距，水凝胶已成为人机界面的理想候选材料，因为其机械和化学特性与生物组织相似，在设计其性能时具有多功能性和灵活性。
2022年10月13日，麻省理工学院机械工程和土木与环境工程赵宣和与Hyunwoo Yuk在Nature Reviews Materials 杂志在线发表题为“Hydrogel interfaces for merging humans and machines”的综述，这篇综述全面总结了水凝胶界面的功能模式、设计原则以及目前和未来的人机融合应用。
在上个世纪，通过现代医学、生物学和生物医学工程的跨学科努力，对人体的理解和工程研究取得了进展。与此同时，计算机、移动设备、传感器、执行器和机器人等复杂而能力更强的机器已经从科幻小说变成了日常现实。尽管有这些进步，人工界面——促进人和机器之间的交流和互动——在很大程度上仍然是原始的，导致人与机器之间的界面是短期和低效的。这些缺点在脑机接口、神经修复术、临床设备、医疗植入物、可穿戴和可消化设备以及虚拟现实或增强现实等新兴领域尤其明显。
人与机器之间长期、高效、生物兼容、无缝的沟通和互动，可能会在这些新兴领域和其他技术领域取得突破，但由于长期存在的挑战，尚未取得突破。人机界面的主要挑战来自于材料。现有的机器主要使用传统材料，如金属、硅、玻璃、陶瓷和塑料，与人体进行交流和互动。然而，这些传统材料的硬、干、非生物特性与生物组织的软、湿、活的特性本质上是矛盾的。
近几十年来，人们致力于将这些传统材料转化为柔性和可拉伸的结构，以便与柔软和弯曲的生物组织共形界面。然而，这些结构设计并没有改变材料的固有特性，这仍然可能阻碍它们与生物组织的交流和相互作用。例如，传统材料与组织的整合通常依赖于物理连接或外科缝合，这些方法面临着诸如非适形接触、不稳定粘附、组织损伤和/或疤痕形成等挑战。
再例如，金属电极的高刚性、低界面电容和低电荷注入容量等特性，使其远远不能理想地用于软神经组织的电记录和刺激。此外，生物组织经常将这些材料识别为异物，即使是在柔性和可拉伸的结构中，由于其固有的不同性质，导致不良的异物反应，生物污染和纤维包封。这种异物反应以及随后与周围组织的纤维隔离会严重损害人和机器之间通信和交互的长期可靠性和有效性。
由于它们与生物组织的独特相似之处以及在调整其性能方面的多功能性和灵活性，水凝胶自然成为一种有前途的候选材料，可作为连接人类和机器的传统材料的替代品或辅助材料。水凝胶界面——无论是在学术研究中还是作为商业产品——正在广泛的应用中迅速出现。例如，超声耦合水凝胶已经商业化，并已成为超声设备和人体皮肤之间的标准界面，用于各种医学成像和治疗应用。同样，市上可买到的皮肤黏附水凝胶已成为临床生物电子记录(如心电图、肌电图(EMG)和脑电图)和临床生物电子刺激(如经皮神经电刺激)中使用的表皮电极的主要候选材料。
图1. 水凝胶和生物组织之间的相似性（图源自Nature Reviews Materials ）
除了作为超声波偶联剂和生物电极的应用外，水凝胶还被广泛应用于可穿戴设备，如汗液传感器、隐形眼镜、伤口敷料和绷带等，作为传感器、致动器和药物贮存器。此外，利用其可食用的类食物性质和可调节的膨胀和降解性质，水凝胶最近成为一种有前途的可食用传感器和设备的载体，能够在胃肠道中长期保留和发挥作用。
此外，具有设计的机械性能和化学成分的水凝胶已被证明可以通过提供高着色的表面，大幅增强可植入设备的生物相容性，减少生物污染，减轻异物反应。这种增强的生物相容性为各种植入式设备与人体形成长期可靠的功能性接口铺平了道路。尽管水凝胶界面有很大的前景和最近的进展，但据我们所知，目前还没有系统地讨论用于人机融合的水凝胶界面。
关于水凝胶作为组织工程支架的，药物输送载体的和用于软机械的新兴材料已经被广泛地回顾，但现有的综述通常没有考虑到水凝胶作为人与机器之间的桥接界面的应用，也没有提供水凝胶界面设计的要求或原则。这种系统的讨论对于这一新兴但有影响力的领域的未来发展至关重要。
图2. 目前水凝胶界面的应用（图源自Nature Reviews Materials）
这篇综述中首先从学术文献和商业产品的例子中全面总结了水凝胶界面的最新进展。根据人与机器之间的通信和相互作用的性质，水凝胶界面的功能可以大致分为机械、声学、电学、光学、化学和生物模式。
然后，系统地讨论了实现各种功能模式的水凝胶界面的性能要求，并提供了实现这些性能的设计原则。最后，对新一代水凝胶界面的未来展望以及剩余的挑战和机遇进行了总结。
图3. 新一代水凝胶界面（图源自Nature Reviews Materials ）
总之，水凝胶界面将在未来机器和人类无缝融合的愿景中发挥重要作用。尽管前景广阔，但在未来的开发和实施过程中，水凝胶界面无疑将面临许多科学、工程和转化方面的挑战。在最大胆的想象中，有朝一日，水凝胶界面可能使我们模糊生物和非生物系统之间的边界，并可能使未来的人机混合成为可能。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41578-022-00483-4
转自：“iNature”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
