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 растягиваемых устройствах для бесшовной интеграции с мягкими и криволинейными человеческая кожа. Наноразмер (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
Электронная кожа представляет собой тонкий полупрозрачный материал, имеющий новый тип ковалентно связанной динамической полимерной сети, называемый полиимином, который пронизан наночастицами серебра для повышения механической прочности, химической стабильности и электропроводности. В этот электронный скин также встроены датчики для измерения давления, температуры, влажности и воздушного потока. Этот электронный скин считается замечательным, потому что он имеет множество функций, которые делают его чрезвычайно близким к человеческой коже. Он очень податлив и может быть легко нанесен на изогнутые поверхности (например, руки и ноги человека, руки роботов) путем приложения к нему умеренного тепла и давления, не создавая чрезмерных нагрузок. 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 надлежащей 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 оболочки были признаны, и такая электронная обложка могла бы значительно сократить электронные отходы и воздействие на окружающую среду, а также могла бы быть очень удобной и популярной среди производителей в различных областях. Хотя на данный момент это может показаться неправдоподобным, эта технология повторного использования может быть аналогичным образом применена и к старой электронике. Фактически, современные фитнес-трекеры и мониторы здоровья, когда-то поврежденные, добавляют к растущей горе электронных отходов, связанных с окружающей средой. Электронную кожу можно носить на шее или на запястьях, и они могут быть похожи на гибкие носимые устройства или временные татуировки, и всякий раз, когда они повреждаются, их можно переработать и использовать повторно. Поскольку электронная кожа гибкая, ее можно сгибать и скручивать, а также можно настроить в соответствии с потребностями пользователя. Эта технология открывает возможности для интеллектуальной робототехники, в которой такая приятная на ощупь и удобная электронная кожа может быть обернута вокруг тела робота или протеза. В частности, протез руки или ноги, обернутый в эту электронную кожу, может позволить пользователю реагировать на изменения температуры и давления благодаря множеству встроенных в него датчиков. Руки или ноги робототехники, 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 приспособлена для робота, обслуживающего ребенка или хрупкого пожилого человека, и, таким образом, робот не будет прилагать слишком много усилий. Еще одно применение электронной кожи может быть потенциально в опасных средах или на работах с высоким риском. Вполне вероятно, что эту технологию можно было бы использовать с виртуальными кнопками, элементами управления или дверьми, которые позволили бы выполнять любые операции без физического взаимодействия с человеком, например, в производстве взрывчатых веществ или других опасных направлениях работы, и, таким образом, этот электронный скин может снизить шансы любых человеческих травм.
Добавление дисплея в электронный скин
Группа исследователей из Токийского университета недавно добавила дисплей2(микро-светодиод) на ультратонкие электронные пластыри в виде пластыря, позволяющие отображать различные признаки мониторинга состояния здоровья в режиме реального времени (например, измерение уровня глюкозы у людей с диабетом или подвижную форму волны электрокардиограммы сердечного пациента). Эти патчи имеют растяжимую проводку и, таким образом, могут сгибаться или растягиваться до 45 процентов в зависимости от движения пользователя. Они считаются самыми гибкими и прочными за последнее время. Непрерывное 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.
{Вы можете прочитать исходную исследовательскую работу, щелкнув ссылку DOI, приведенную ниже в списке цитируемых источников}
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.
