Odkrycie nowego typu plastycznej, samoleczącej się i całkowicie nadającej się do recyklingu „elektronicznej skóry” ma szerokie zastosowanie w monitorowaniu zdrowia, robotyce, protetyce i ulepszonych urządzeniach biomedycznych.
Badanie opublikowane w Postępy nauki prezentuje nową elektroniczną skórę (lub po prostu e-skórkę), która ma wiele właściwości, w tym plastyczność, samoregenerację i pełną zdolność do recyklingu w porównaniu z człowiekiem skóra1Skóra, nasz największy organ, to mięsiste okrycie, gdy patrzymy z zewnątrz. Nasza skóra jest bardzo wszechstronnym narządem, który działa jak wodoodporna, izolująca osłona i chroni nasz organizm przed różnymi zagrożeniami zewnętrznymi lub czynnikami, np. niszczącym słońcem. Niektóre z funkcji skóry to regulacja temperatury ciała, ochrona organizmu przed przyjmowaniem substancji toksycznych, a także wydalaniem substancji toksycznych (wraz z potem), wspomaganie mechaniczne i immunologiczne oraz wytwarzanie niezbędnych witamina D co jest bardzo ważne dla naszych kości. Skóra jest także ogromnym czujnikiem z obszernymi nerwami, które błyskawicznie komunikują się z mózgiem.
Naukowcy na całym świecie pracowali nad opracowaniem różnych rodzajów i rozmiarów „do noszenia” e-skórki'w celu naśladowania biologiczny Skóra i jej różne funkcje. Istnieje duże zapotrzebowanie na elastyczne i rozciągliwe urządzenia umożliwiające płynną integrację z miękką i krzywoliniową ludzką skórą. Nanoskala (10-9m) materiały mogą zapewnić wymaganą mechaniczną i elektryczną wszechstronność, zastępując sztywny krzem, który zwykle był używany wcześniej. Zespół kierowany przez dr Jianlianga Xiao z University of Colorado, Boulder, USA, z powodzeniem opracował sztuczną elektroniczną skórę (e-skórę) w celu przeniesienia zmysłowego dotyku ludzkiej skóry na roboty i protezy. Ta próba zmierza w kierunku posiadania w przyszłości technologii „do noszenia na ciele”, która miałaby ogromny potencjał i wartość w dziedzinach medycznych, naukowych i inżynieryjnych.
E-skin: samoleczący się i nadający się do recyklingu
E-skin to cienki, półprzezroczysty materiał posiadający powieść rodzaj kowalencyjnie związanej dynamicznej sieci polimerowej, zwanej poliiminą, która jest spleciona z nanocząsteczkami srebra w celu poprawy wytrzymałości mechanicznej, stabilności chemicznej i przewodności elektrycznej. Ta e-skin ma również wbudowane czujniki mierzące ciśnienie, temperaturę, wilgotność i przepływ powietrza. Ta e-skóra jest uważana za niezwykłą, ponieważ zawiera wiele funkcji, które czynią ją niezwykle bliższą imitacją ludzkiej skóry. Jest bardzo plastyczny i można go łatwo nałożyć na zakrzywione powierzchnie (np. ręce i nogi człowieka, dłonie robota) poprzez zastosowanie umiarkowanej temperatury i nacisku bez wprowadzania nadmiernych naprężeń. Ma niesamowite właściwości samoleczenia, dzięki czemu w przypadku jakiegokolwiek skaleczenia lub uszkodzenia spowodowanego okolicznościami zewnętrznymi, e-skóra odtwarza wiązania chemiczne pomiędzy dwiema oddzielonymi stronami, przywracając matrycę do jej właściwej funkcjonalności i powracając do pierwotnego stanu związanego.
Jeśli ta e-skinka stanie się bezużyteczna z powodu jakichkolwiek okoliczności, można ją całkowicie poddać recyklingowi i przekształcić w zupełnie nową e-skinę, umieszczając ją w rozwiązaniu do recyklingu, które „rozpuszcza” istniejący materiał e-skinowy i zamienia go w „ nowa” e-skórka. Ten roztwór recyklingowy – mieszanina trzech dostępnych na rynku związków chemicznych w etanolu – rozkłada polimery, a nanocząsteczki srebra opadają na dno roztworu. Te zdegradowane polimery można wykorzystać na nowo do stworzenia nowej funkcjonalnej e-skórki. Ta samonaprawa i zdolność do recyklingu, którą można osiągnąć w temperaturze pokojowej, przypisuje się chemicznemu wiązaniu zastosowanego polimeru. Zaletą polimerowej sieci poliiminy jest to, że jest ona odwracalna i może być łamana i poddawana recyklingowi w przeciwieństwie do większości konwencjonalnych materiałów termostatycznych, których nie można zmienić ani ponownie przetworzyć ani poddać recyklingowi z powodu nieodwracalnych wiązań w ich usieciowanych sieciach polimerowych. Jest bardziej wytrzymały niż sama ludzka skóra i może być stosowany jako wzmocnienie, a nie zastąpienie. Jest również przyjemny w dotyku i prawie jak prawdziwa skóra, co może w przyszłości posłużyć jako środek kryjący, na przykład do urządzeń elektronicznych.
Przyjazne dla środowiska i niedrogie właściwości e-skóry zostały docenione, a taka e-skóra mogłaby znacznie zmniejszyć ilość odpadów elektronicznych i wpływu na środowisko, a także mogłaby być bardzo użyteczna i popularna wśród producentów z różnych dziedzin. Choć w tej chwili może się to wydawać naciągane, tę technologię ponownego wykorzystania można w podobny sposób zastosować również do starych elementów elektronicznych. W rzeczywistości współczesne urządzenia do monitorowania kondycji i monitory stanu zdrowia po uszkodzeniu zwiększają rosnącą górę e-odpadów, pogłębiając problemy związane ze środowiskiem. E-skórę można nosić na szyi lub nadgarstkach i może to przypominać elastyczne przedmioty do noszenia lub tymczasowe tatuaże, a gdy ulegną uszkodzeniu, można je poddać recyklingowi i ponownie wykorzystać. Ponieważ e-skóra jest elastyczna, można ją zginać i skręcać, a także dostosowywać do potrzeb użytkownika. Technologia otwiera możliwości dla inteligentnych robotyka w którym tak przyjemną w dotyku i wygodną elektroniczną skórę można owinąć wokół ciała robota lub sztucznej kończyny. Mówiąc bardziej szczegółowo, proteza ramienia lub nogi owinięta w tę elektroniczną skórę może pozwolić użytkownikowi reagować na zmiany temperatury i ciśnienia dzięki wielu wbudowanym w nią czujnikom. Ramiona lub nogi robotów wyposażone w taką e-skórę mogą sprawić, że roboty będą działać delikatniej w stosunku do ludzi oraz będą bezpieczniejsze i niezawodne. Na przykład e-skórę można specjalnie dopasować do robota obsługującego dziecko lub wątłą osobę starszą, dzięki czemu robot nie będzie przykładał zbyt dużej siły. Innym zastosowaniem e-skóry może być potencjalnie praca w niebezpiecznych środowiskach lub na stanowiskach wysokiego ryzyka. Jest prawdopodobne, że tę technologię można zastosować w połączeniu z wirtualnymi przyciskami, elementami sterującymi lub drzwiami, które umożliwiłyby dowolną operację bez fizycznej interakcji człowieka, na przykład w przemyśle materiałów wybuchowych lub w innych niebezpiecznych branżach, a zatem ta e-skóra może zmniejszyć ryzyko jakichkolwiek obrażeń u ludzi.
Dodawanie wyświetlacza do e-skin
Zespół naukowców z Uniwersytetu Tokijskiego niedawno dodał wyświetlacz2(mikroLED) po ultracienkie plastry przypominające opaskę na skórę, umożliwiające wyświetlanie w czasie rzeczywistym różnych oznak monitorowania stanu zdrowia (np. pomiar poziomu glukozy u osób chorych na cukrzycę lub ruchoma fala elektrokardiogramu serca) pacjent). Plastry te mają rozciągliwe okablowanie, dzięki czemu mogą się zginać lub rozciągać do 45 procent w zależności od ruchu użytkownika. Są one uważane za najbardziej elastyczne i trwałe konstrukcje w ostatnim czasie. Ciągłe złuszczanie się komórek ludzkiej skóry może spowodować odpadnięcie plastra po kilku dniach, ale można temu zaradzić.
W badaniu, prowadzonym przez profesora Takao Someyę, stwierdzono, że taki wyświetlacz może być ostatecznie wykorzystany do odczytywania i przekazywania informacji medycznych w płynny i łatwy sposób nie tylko pacjentom, ale także członkom ich rodzin, opiekunom i pracownikom służby zdrowia, osobiście lub nawet zdalnie. Otrzymywałby również wiadomości. Naukowcy mają na celu dalszą poprawę niezawodności plastra, uczynienie go bardziej opłacalnym, a także zwiększenie jego produkcji dla szerszego zasięgu na całym świecie. Ich celem jest wprowadzenie tego urządzenia na rynek do końca 2020 roku.
Zbliżające się wyzwania
Rozwój e-skóry to bardzo ekscytujące nowe badanie, jednak jedna z podstawowych naszych właściwości – elastyczność i rozciągliwość – nie została jeszcze z powodzeniem osiągnięta przez e-skórę. E-skórka jest miękka, ale nie tak rozciągliwa jak ludzka skóra. Według autorów, materiał w obecnej formie również nie jest łatwy do odtworzenia. Zaobserwowano nieznaczne zmniejszenie ogólnej wydajności wykrywania w naprawianym/przetworzonym urządzeniu e-skin w porównaniu ze świeżym modułem, co należy w pełni rozwiązać w ramach dalszych badań. Pola magnetyczne wykorzystywane przez e-skórki są również dość wysokie i należy je zmniejszyć. Obecnie urządzenie jest zasilane z zewnętrznego źródła, co jest bardzo niepraktyczne, ale zamiast tego powinno być możliwe posiadanie ładowalnych, małych baterii do zasilania urządzenia. Dr.Xiao i jego zespół chcą udoskonalić ten produkt i ulepszyć rozwiązanie do skalowania, aby przynajmniej pokonać przeszkody ekonomiczne, a ta e-skórka powinna być łatwiejsza do wyprodukowania i umieszczenia na robotach, protezach, urządzeniach medycznych lub czymkolwiek innym.
***
{Możesz przeczytać oryginalną pracę naukową, klikając link DOI podany poniżej na liście cytowanych źródeł}
Źródło (s)
1. Zou Z i in. 2018. Regenerowana, w pełni nadająca się do recyklingu i ciągliwa powłoka elektroniczna dzięki dynamicznemu kowalencyjnemu nanokompozytowi termoutwardzalnemu. Postępy nauki. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508
2. Someya T. 2018. Ciągłe monitorowanie stanu zdrowia za pomocą ultraelastycznych czujników na skórze. Sympozjum dorocznego spotkania AAAS, Austin, Teksas, 17 lutego 2018 r.
