'e-Skin', що імітує біологічну шкіру та її функції

Відкриття нового типу податливої, самовідновлювальної та повністю переробленої «електронної шкіри» має широке застосування в моніторингу здоров’я, робототехніці, протезуванні та вдосконалених біомедичних пристроях.

Дослідження, опубліковане в Science Advances , демонструє нову електронну шкіру (або просто е-шкіру), яка має безліч властивостей, включаючи пластичність, самовідновлення та повну переробку, порівняно з людською шкірою1 ^. Шкіра, наш найбільший орган, ззовні являє собою м'ясисту оболонку. Наша шкіра — це дуже універсальний орган, який діє як водонепроникний, ізоляційний щит і захищає наш організм від різноманітних зовнішніх небезпек або факторів, наприклад, шкідливого сонця. Деякі з функцій шкіри — це регулювання температури тіла, захист організму від потрапляння токсичних речовин, а також виведення токсичних речовин (разом з потом), механічна та імунологічна підтримка та вироблення вирішального вітаміну D , який дуже важливий для наших кісток. Шкіра також є величезним датчиком з великою кількістю нервів для миттєвого зв'язку з мозком.

Дослідники з усього світу працюють над розробкою різних типів та розмірів «носимих електронних шкір » з метою спробувати імітувати біологічну шкіру та її різні функції. Існує велика потреба в гнучких та розтяжних пристроях для безшовної інтеграції з м’якою та криволінійною шкірою людини. Нанорозмірні (10⁻⁹ ^м ) матеріали можуть забезпечити необхідну механічну та електричну універсальність, замінюючи жорсткий кремній, який зазвичай використовувався раніше. Команда під керівництвом доктора Цзяньляна Сяо з Університету Колорадо, Боулдер, США, успішно розробила штучну електронну шкіру (електронну шкіру) з метою передачі сенсорного дотику людської шкіри на роботів та протези. Ця спроба спрямована на створення в майбутньому «носимих» технологій, які матимуть величезний потенціал та цінність у медичній, науковій та інженерній галузях.

Електронна шкіра: самовідновлюється та підлягає переробці

Електронна шкіра (E-skin) – це тонкий напівпрозорий матеріал, що має новий тип ковалентно зв'язаної динамічної полімерної мережі, яка називається поліімін, і яка пронизана наночастинками срібла для покращення механічної міцності, хімічної стабільності та електропровідності. Ця електронна шкіра також має вбудовані датчики для вимірювання тиску, температури, вологості та потоку повітря. Ця електронна шкіра вважається чудовою, оскільки вона має багато функцій, які роблять її надзвичайно точною імітацією людської шкіри. Вона дуже пластична і може бути легко встановлена ​​на вигнутих поверхнях (наприклад, людські руки та ноги, роботизовані руки) шляхом застосування помірного тепла та тиску без надмірного напруження. Вона має дивовижні властивості самовідновлення, завдяки яким при будь-якому порізі або пошкодженні, спричиненому зовнішніми обставинами, електронна шкіра відтворює хімічні зв'язки між двома розділеними сторонами, відновлюючи матрицю для її належної функціональності та повертаючись до початкового стану.

Якщо ця електронна шкіра стане непридатною для використання через будь-які обставини, її можна повністю переробити та перетворити на абсолютно нову електронну шкіру, помістивши її в розчин для переробки, який «розріджує» наявний матеріал електронної шкіри та перетворює його на « новий” e-skin. Цей розчин для переробки – суміш трьох комерційно доступних хімічних сполук в етанолі – руйнує полімери, а наночастинки срібла опускаються на дно розчину. Ці деградовані полімери можна використовувати заново для створення нової функціональної електронної шкіри. Це самовідновлення та можливість повторної переробки, які досягаються при кімнатній температурі, пов’язані з хімічним зв’язком використаного полімеру. Перевага полімерної мережі з полііміну полягає в тому, що вона оборотна і може бути розбита та перероблена на відміну від більшості звичайних термостатних матеріалів, які не можуть бути змінені, перероблені або перероблені через незворотні зв’язки всередині їх зшитої полімерної мережі. Це більш міцне, ніж сама людська шкіра, і його можна використовувати як доповнення, а не як заміну. Він також приємний на дотик і відчувається майже як справжня шкіра, яка в майбутньому може стати покриттям, скажімо, електронних пристроїв.

Екологічні та низьковартісні властивості електронної шкіри отримали схвальні відгуки, і така електронна шкіра може значно зменшити кількість електронних відходів та вплив на навколишнє середовище, а також може бути дуже корисною та популярною серед виробників у різних галузях. Хоча наразі це може здатися неправдоподібним, цю технологію повторного використання також можна застосувати до старої електроніки. Фактично, сучасні фітнес-трекери та монітори здоров'я після пошкодження додають до зростаючої гори електронних відходів, що створюють проблеми, пов'язані з навколишнім середовищем. Електронну шкіру можна носити на шиї або на зап'ястях, і це може бути щось на кшталт гнучких носимих пристроїв або тимчасових татуювань, і щоразу, коли вона пошкоджується, її можна переробляти та використовувати повторно. Оскільки електронна шкіра гнучка, її можна згинати та скручувати, і її можна налаштовувати відповідно до потреб власника. Ця технологія відкриває шляхи для інтелектуальної робототехніки, в якій така приємна на дотик і комфортна електронна шкіра може бути обгорнута навколо тіла робота або протеза. Для більш детальної інформації, протез руки або ноги, обгорнутий цією електронною шкірою, може дозволити власнику реагувати на зміни температури та тиску завдяки численним датчикам, вбудованим у неї. Роботизовані руки або ноги, оснащені такою електронною шкірою, можуть зробити роботи більш делікатними щодо людей, безпечнішими та надійнішими. Наприклад, електронну шкіру можна спеціально встановити на робота, який працює з немовлям або тендітною людиною похилого віку, і таким чином робот не застосовуватиме занадто багато зусиль. Іншим застосуванням електронної шкіри може бути небезпечне середовище або робота з високим рівнем ризику. Цілком ймовірно, що цю технологію можна використовувати з віртуальними кнопками, елементами керування або дверима, які дозволять виконувати будь-які операції без фізичної взаємодії людини, наприклад, у вибухонебезпечній промисловості або інших небезпечних сферах діяльності, і таким чином ця електронна шкіра може зменшити ймовірність травмування людей.

Додавання дисплея до e-skin

Команда дослідників з Токійського університету нещодавно додала дисплей ² (мікро-світлодіод) до надтонких пластирів електронної шкіри, що нагадують пластирі, щоб відображати різні показники моніторингу здоров'я в режимі реального часу (наприклад, вимірювання рівня глюкози у людей з діабетом або рухому форму хвилі електрокардіограми пацієнта з серцевими захворюваннями ) . Ці пластирі мають розтяжну проводку і, таким чином, можуть згинатися або розтягуватися до 45 відсотків залежно від руху користувача. Вони вважаються найгнучкішими та найміцнішими за останній час. Постійне втрата клітин шкіри людини може означати, що пластир може відпасти через кілька днів, але це можна обійти.

У цьому дослідженні, яке очолив професор Такао Сомея, стверджується, що такий дисплей в кінцевому підсумку може бути використаний для того, щоб дозволити читати та передавати медичну інформацію безперешкодно та легко не лише для пацієнтів, але й для членів сім’ї, осіб, які надають догляд, та медичних працівників особисто чи навіть дистанційно. Воно також отримуватиме повідомлення. Дослідники прагнуть ще більше підвищити надійність патча, зробити його більш економічно ефективним, а також збільшити його виробництво для більшого охоплення по всьому світу. Їхня мета – випустити цей пристрій на ринок до кінця 2020 року.

Виклики попереду

Розробка e-skin є дуже захоплюючим новим дослідженням, однак одна з фундаментальних властивостей нашої – гнучкість і здатність до розтягування – ще не успішно досягнута за допомогою електронної шкіри. Електронна шкіра м’яка, але не така еластична, як людська. За словами авторів, у сучасному вигляді матеріал також не дуже легко відтворити. Порівняно зі свіжим модулем було помічено невелике зниження загальної продуктивності сприйняття в відновленому/переробленому пристрої e-skin, що потрібно повністю вирішити за допомогою подальших досліджень. Магнітні поля, які використовуються електронними скінами, також досить високі, і їх потрібно зменшити. Наразі пристрій живиться від зовнішнього джерела, що дуже непрактично, але замість цього має бути можливість мати перезаряджувані маленькі батареї для живлення пристрою. Доктор Сяо та його команда хочуть удосконалити цей продукт та покращити рішення для масштабування, щоб можна було подолати принаймні економічні перешкоди, а цю електронну шкіру було легше виготовляти та розміщувати на роботах, протезах, медичних пристроях чи будь-якому іншому.

***

Джерела

1. Zou Z та ін. 2018. Повторно відновлювана, повністю перероблювана та пластична електронна шкіра, створена за допомогою динамічного ковалентного термореактивного нанокомпозиту. Science Advances . https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508

2. Сомея Т. 2018. Безперервний моніторинг здоров'я за допомогою надгнучких нашкірних датчиків. Щорічний симпозіум AAAS, Остін, Техас, 17 лютого 2018 р. https://aaas.confex.com/aaas/2018/meetingapp.cgi/Paper/20827

3. Йокота Т. та ін. Ультрагнучка органічна фотонна шкіра. НАУКОВІ ДОСЯГНЕННЯ. 15 квітня 2016 р. Том 2, Випуск 4. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.1501856

***