一、研究背景

生物神經(jīng)系統(tǒng)能以極低功耗完成高保真感知與信息處理。受啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)（neuromorphic）觸覺系統(tǒng)，可將傳感信號在本地直接轉(zhuǎn)化為脈沖頻率編碼，實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算，并為假肢、軟體機(jī)器人及生物-電子接口提供新思路。然而，現(xiàn)有人工傳入神經(jīng)（AAN）多聚焦于慢適應(yīng)Ⅰ型（SA-I）受體（靜態(tài)壓力），對能感知皮膚拉伸、負(fù)責(zé)本體感覺的慢適應(yīng)Ⅱ型（SA-II）受體報(bào)道極少；此外，多組件異質(zhì)集成仍依賴手工，制造通量低、可重復(fù)性差。因此，亟需開發(fā)可拉伸、低遲滯、電阻變化跨 6 個(gè)量級的 SA-II 受體材料，并與振蕩電路一體化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、可快速原型化的三維人工傳入神經(jīng)。

二、研究內(nèi)容

本研究提出“混合 3D 打印”策略：在單一平臺上完成多材料直寫與貼片封裝，將高性能硅基環(huán)形振蕩器與可拉伸負(fù)阻復(fù)合材料（NPC）異構(gòu)集成，制備出仿生 SA-II 人工傳入神經(jīng)。

• 1. 材料設(shè)計(jì)：在聚氨酯丙烯酸酯（PUA）彈性體中加入尖刺鎳顆粒與增塑油（鄰苯二甲酸二辛酯），利用量子隧穿效應(yīng)實(shí)現(xiàn)負(fù)泊阻（拉伸→電阻驟降）；油分子潤滑顆粒間摩擦，使動(dòng)態(tài)范圍提升至 >50 % 應(yīng)變，循環(huán)遲滯顯著降低。

• 2. 打印工藝：開發(fā) 4 種兼容墨水——軟基底、硬基底、導(dǎo)電互連、NPC 傳感，通過多噴嘴直寫+負(fù)壓拾放，實(shí)現(xiàn)異質(zhì)基底-傳感-電路-芯片一體化 3D 成形。

• 3. 電路原理： NPC 作為可變電阻 R? 接入環(huán)形振蕩器 RC 反饋環(huán)路；拉伸時(shí) R? 驟降 → RC 時(shí)間常數(shù)減小 → 輸出方波頻率從 0 增至 ~100 Hz，而幅值恒定于 5 V，完美復(fù)現(xiàn)生物動(dòng)作電位的“幅值不變、頻率隨刺激增強(qiáng)”特性。

• 4. 系統(tǒng)驗(yàn)證：將打印的 AAN 貼附于軟體氣動(dòng)執(zhí)行器表面，充氣拉伸時(shí)頻率同步上升， deflate 后歸零，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)本體感知。

圖 1 | 生物 SA-II 傳入神經(jīng) vs 人工 SA-II 傳入神經(jīng)設(shè)計(jì)概念

圖 2 | NPC 負(fù)阻復(fù)合材料的電-機(jī)械性能調(diào)控（鎳含量、油含量、交聯(lián)密度）

圖 3 | 打印人工 SA-II 受體的循環(huán)穩(wěn)定性、刺激選擇性與分級響應(yīng)

圖 4 | 環(huán)形振蕩器 RC 電路設(shè)計(jì)與頻率-電阻對應(yīng)關(guān)系

圖 5 | 異質(zhì)基底應(yīng)變工程與可拉伸導(dǎo)電互連表征

圖 6 | 混合 3D 打印流程與 SA-II AAN 在軟體機(jī)器人上的實(shí)時(shí)拉伸感知演示

三、研究結(jié)論

• 首次采用混合 3D 打印實(shí)現(xiàn)可拉伸、低遲滯、電阻變化跨 6 個(gè)量級的 SA-II 人工傳入神經(jīng)一體化制造。

• 提出的“負(fù)阻傳感 + 環(huán)形振蕩器”架構(gòu)，可在 0–50 % 拉伸范圍內(nèi)輸出 0–~100 Hz 方波，幅值恒定，完美模仿生物動(dòng)作電位頻率編碼。

• 系統(tǒng)與軟體氣動(dòng)執(zhí)行器無縫集成，實(shí)時(shí)反饋充氣應(yīng)變，驗(yàn)證了其在軟體機(jī)器人本體感知與假肢閉環(huán)控制中的應(yīng)用潛力。

• 混合 3D 打印具備模塊化、多材料、三維成型能力，未來可擴(kuò)展壓力、溫度等多模態(tài)傳感，為下一代神經(jīng)形態(tài)觸覺皮膚提供可擴(kuò)展、可定制的制造平臺。

四、論文信息

題目：Hybrid 3D printing of bio-inspired artificial slowly adapting type II afferents
期刊：Nature Communications (2025) 16: 8513
作者：Mina Lee, Michael Sotzing, Jue Wang, Alex Chortos
通訊地址：School of Mechanical Engineering, Purdue University, West Lafayette, IN, USA
DOI：10.1038/s41467-025-63470-7
開放獲取：Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License

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