Электронная кожа, имитирующая биологическую кожу и ее функции

Открытие нового типа податливой, самовосстанавливающейся и полностью перерабатываемой «электронной кожи» находит широкое применение в мониторинге здоровья, робототехнике, протезировании и улучшенных биомедицинских устройствах.

Исследование, опубликованное в Наука развивается демонстрирует новый электронный скин (или просто электронный скин), который обладает множеством свойств, включая пластичность, самовосстановление и полную пригодность для вторичной переработки по сравнению с человеческим. кожа¹Кожа, наш самый большой орган, если смотреть снаружи, представляет собой мясистый покров. Наша кожа - это очень универсальный орган, который действует как водонепроницаемый, изолирующий щит и защищает наше тело от множества внешних опасностей или факторов, например, вредного солнца. Некоторые из функций кожи - регулирование температуры тела, защита организма от попадания токсичных веществ, а также выведение токсичных веществ (вместе с потом), механическая и иммунологическая поддержка и выработка важнейших веществ. витамин Д что очень важно для наших костей. Кожа также является огромным сенсором с множеством нервов, которые мгновенно связываются с мозгом.

Исследователи во всем мире работают над разработкой различных типов и размеров носимых устройств. электронные шкуры'с целью имитировать биологический Кожа и ее различные функции. Существует острая потребность в гибких и растягивающихся устройствах, обеспечивающих бесшовную интеграцию с мягкой и изогнутой кожей человека. Наномасштаб (10^-9m) материалы могут обеспечить требуемую механическую и электрическую универсальность, заменяя жесткий кремний, который обычно использовался раньше. Команда, возглавляемая доктором Цзянлян Сяо из Университета Колорадо, Боулдер, США, успешно разработала искусственную электронную кожу (электронную кожу) с целью передачи сенсорного прикосновения человеческой кожи на роботов и протезы. Эта попытка направлена ​​на создание в будущем «носимой» технологии, которая будет иметь огромный потенциал и ценность в медицинской, научной и инженерной областях.

Электронная кожа: самовосстанавливающаяся и пригодная для вторичной переработки

E-skin — это тонкий полупрозрачный материал, имеющий роман тип ковалентно связанной динамической полимерной сети, называемой полиимин, которая дополнена наночастицами серебра для повышения механической прочности, химической стабильности и электропроводности. В эту электронную кожу также встроены датчики для измерения давления, температуры, влажности и потока воздуха. Эта электронная кожа считается замечательной, поскольку в нее включено множество функций, которые делают ее чрезвычайно близкой к человеческой коже. Он очень податлив и его можно легко установить на изогнутые поверхности (например, человеческие руки и ноги, руки робота), применяя к нему умеренное тепло и давление, не создавая чрезмерных напряжений. Он обладает удивительными свойствами самовосстановления: при любом порезе или повреждении, вызванном внешними обстоятельствами, электронная кожа воссоздает химические связи между двумя разделенными сторонами, восстанавливая матрицу для ее правильной функциональности и возвращаясь в исходное связанное состояние.

Если этот электронный скин станет непригодным для использования из-за каких-либо обстоятельств, его можно полностью переработать и превратить в совершенно новый электронный скин, поместив его в раствор для переработки, который «разжижает» существующий материал электронного скина и превращает его в « новый »электронный скин. Этот рециркулирующий раствор - смесь трех имеющихся в продаже химических соединений в этаноле - разрушает полимеры, и наночастицы серебра оседают на дно раствора. Эти деградированные полимеры можно использовать заново для создания новой функциональной электронной кожи. Эта способность к самовосстановлению и переработке, достижимая при комнатной температуре, объясняется химической связью используемого полимера. Преимущество полимерной сетки полиимина состоит в том, что она обратима и может быть разрушена и переработана, в отличие от большинства обычных материалов для термостатов, которые невозможно ни изменить, ни переработать, ни переработать из-за необратимых связей в их сшитых полимерных сетках. Он более прочен, чем сама человеческая кожа, и его можно использовать как улучшение, а не замену. Он также приятен на ощупь и ощущается почти как настоящая кожа, которая, возможно, в будущем может стать покрывающим средством, скажем, для электронных устройств.

Экологически чистые и недорогие свойства электронной кожи были высоко оценены, и такая электронная кожа может значительно сократить электронные отходы и воздействие на окружающую среду, а также может быть очень удобной и популярной среди производителей в различных областях. Хотя на данный момент это может показаться надуманным, эта технология повторного использования может быть аналогичным образом применена и к старой электронике. Фактически, современные фитнес-трекеры и мониторы здоровья, если они повреждены, усугубляют растущую гору электронных отходов, усугубляющих проблемы, связанные с окружающей средой. Электронную кожу можно носить на шее или на запястьях, и это может быть что-то вроде гибких носимых устройств или временных татуировок, и в случае повреждения их можно будет переработать и использовать повторно. Поскольку электронная кожа гибкая, ее можно сгибать и скручивать, а также изготавливать по индивидуальному заказу пользователя. Эта технология открывает возможности для интеллектуального робототехника в котором такой приятной на ощупь и комфортной электронной кожей можно обернуть тело робота или протез. Говоря более подробно, протез руки или ноги, обернутый этой электронной кожей, может позволить владельцу реагировать на изменения температуры и давления благодаря множеству встроенных в него датчиков. Роботизированные руки или ноги, оснащенные такой электронной кожей, могут заставить роботов действовать более деликатно по отношению к людям и быть более безопасными и надежными. Например, электронная кожа может быть специально адаптирована к роботу, который обращается с младенцем или хрупким пожилым человеком, и, таким образом, робот не будет прилагать слишком много усилий. Еще одним применением электронной кожи может быть потенциально опасная среда или работа с высоким риском. Вполне вероятно, что эту технологию можно будет использовать с виртуальными кнопками, элементами управления или дверями, которые позволят выполнять любые операции без физического взаимодействия с человеком, например, в промышленности по производству взрывчатых веществ или в других опасных сферах деятельности, и, таким образом, этот электронный скин, возможно, сможет снизить вероятность любых человеческих травм.

Добавление дисплея в электронный скин

Группа исследователей из Токийского университета недавно добавила дисплей²(микро-светодиод) до ультратонких пластырей для электронной кожи, позволяющих отображать различные признаки мониторинга состояния здоровья в режиме реального времени (например, измерение уровня глюкозы у людей с диабетом или движущуюся форму электрокардиограммы сердца). пациент). Эти пластыри имеют растягивающуюся проволоку и, таким образом, могут сгибаться или растягиваться до 45 процентов в зависимости от движения пользователя. В последнее время они считаются наиболее гибкими и долговечными конструкциями. Постоянное отторжение клеток кожи человека может означать, что пластырь может отпасть через несколько дней, но это можно обойти.

В этом исследовании, проведенном профессором Такао Сомея, утверждается, что такой дисплей в конечном итоге может быть использован для чтения и передачи медицинской информации безупречным и легким способом не только для пациентов, но и для членов семьи, лиц, осуществляющих уход, и медицинских работников лично или даже удаленно. Он также будет получать сообщения. Исследователи стремятся еще больше повысить надежность патча, сделать его более рентабельным, а также увеличить его производство для более широкого распространения по всему миру. Их цель - вывести это устройство на рынок к концу 2020 года.

Задачи на будущее

Разработка электронной кожи - это очень захватывающее новое исследование, однако одно из фундаментальных свойств нашей кожи - гибкость и способность к растягиванию - еще предстоит успешно достичь с помощью электронной кожи. Электронная кожа мягкая, но не такая эластичная, как человеческая кожа. По словам авторов, в нынешнем виде материал также не очень легко воспроизводится. Было замечено небольшое снижение общих характеристик восприятия в восстановленном / переработанном устройстве электронной кожи по сравнению со свежим модулем, и этот вопрос необходимо полностью решить с помощью дальнейших исследований. Магнитные поля, используемые электронными скинами, также довольно высоки, и их необходимо уменьшить. В настоящее время устройство питается от внешнего источника, что очень непрактично, но вместо этого можно использовать перезаряжаемые небольшие батареи для питания устройства. Доктор Сяо и его команда хотят усовершенствовать этот продукт и улучшить решение для масштабирования, чтобы, по крайней мере, можно было преодолеть экономические препятствия, и эту электронную кожу было бы проще производить и устанавливать на роботов, протезы, медицинские устройства или что-нибудь еще.

Источник (ы)

1. Zou Z et al. 2018. Поддающаяся восстановлению, полностью перерабатываемая и податливая электронная оболочка на основе динамического ковалентного термореактивного нанокомпозита. Наука развивается. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508

2. Someya T. 2018. Непрерывный мониторинг здоровья с помощью сверхгибких датчиков на коже. Симпозиум ежегодного собрания AAAS, Остин, Техас, 17 февраля 2018 г. https://aaas.confex.com/aaas/2018/meetingapp.cgi/Paper/20827

3. Йокота Т. и др. Сверхгибкая органическая фотонная кожа. SCIENCE ADVANCES. 15 апреля 2016 г. Том 2, выпуск 4. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.1501856