Відкриття нового типу податливої, самовідновлювальної та повністю переробленої «електронної шкіри» має широке застосування в моніторингу здоров’я, робототехніці, протезуванні та вдосконалених біомедичних пристроях.
Дослідження опубліковано в Наука розвивається демонструє нову електронну шкіру (або просто електронну шкіру), яка має безліч властивостей, включаючи пластичність, самовідновлення та повну переробку в порівнянні з людською шкіра1.Шкіра, наш найбільший орган, є м’ясистим покривом, якщо дивитися ззовні. Наша шкіра є надзвичайно універсальним органом, який діє як водонепроникний, ізолюючий щит і захищає наше тіло від різноманітних зовнішніх небезпек або факторів, наприклад, шкідливого сонця. Деякі функції шкіри - це регулювання температури тіла, захист організму від надходження токсичних речовин, а також виведення токсичних речовин (разом з потом), механічна та імунологічна підтримка та вироблення важливих речовин. Вітамін D що дуже важливо для наших кісток. Шкіра також є величезним датчиком з достатньою кількістю нервів, щоб миттєво спілкуватися з мозком.
Дослідники з усього світу працюють над розробкою різних типів і розмірів «придатних для носіння». електронні скіни' з метою спробувати імітувати біологічний skin and its various functions. There is a strong need for flexible and stretchable devices for seamless integration with soft and curvilinear human skin. Nanoscale (10-9m) матеріали можуть забезпечити необхідну механічну та електричну універсальність, замінюючи твердий кремній, який зазвичай використовувався раніше. Команда під керівництвом доктора Цзяньляна Сяо з Університету Колорадо, Боулдер, США, успішно розробила штучну електронну шкіру (e-skin) з метою перетворення сенсорного дотику шкіри людини на роботів і протези. Ця спроба спрямована на те, щоб мати в майбутньому технологію, що носиться, яка мала б величезний потенціал і цінність у медичній, науковій та інженерній сферах.
Електронна шкіра: самовідновлюється та підлягає переробці
E-skin is a thin, translucent material having a роман type of covalently bonded dynamic polymer network, called polyimine, which is laced with silver nanoparticles for improved mechanical strength, chemical stability and electrical conductivity. This e-skin also has sensors embedded in it to measure pressure, temperature, humidity and air flow. This e-skin is being considered remarkable because it has been incorporated with many features which make it an extremely closer mimic of the human skin. It is highly malleable and can be easily set onto curved surfaces (e.g. human arms and legs, robotic hands) by applying moderate heat and pressure to it without introducing excessive stresses. It has amazing self-healing properties wherein upon any cut or damage caused by an external circumstance, the e-skin recreates the chemical bonds between the two separated sides restoring the matrix for its proper functionality and returning to its original bonded state.
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.
Eco-friendly and low on cost properties of e-skin have been hailed and such e-skin could greatly reduce electronic waste and environmental impact and could be highly usable and popular with manufacturers across different fields. Though it may sound farfetched at the moment, this reuse technology could also be similarly applied to old electronics items as well. In fact, modern day fitness trackers and health monitors once damaged add to the growing mountain of e-waste compounding environment related problems. The e-skin could be worn around our necks or on our wrists and these could be like flexible wearables or temporary tattoos and whenever they get damaged they can be recycled and reused. Since e-skin is flexible, it can be bent and twisted and can be made customized according to the wearer. The technology opens up avenues for intelligent робототехніка in which such a pleasant to feel and confortable electronic skin can be wrapped around the body of a robot or an artificial limb. To elaborate, a prosthetic arm or leg which is wrapped in this electronic skin can allow the wearer to respond to temperature and pressure changes because of the multiple sensors incorporated in it. The robotics arms or legs fitted with such an e-skin can make the robots act more delicately towards humans and be more safe and reliable. For example, e-skin could be specifically fitted to a robot handling a baby or a fragile elderly and thus robot will not be applying too much force. Another application of e-skin can be potentially in hazardous environments or high-risk jobs. It is plausible that this technology could be used with virtual buttons, controls or doors that would enable any operation without human physical interaction, for example in explosives industry or other dangerous lines of work, and thus this e-skin maybe able to decrease the chances of any human injury.
Додавання дисплея до e-skin
Команда дослідників Токійського університету нещодавно додала дисплей2(micro-LED) to ultrathin, band aid-style e-skin patches to enable display of different signs of health monitoring in real time (e.g. measuring glucose levels in people with diabetes or the moving waveform of an electrocardiogram of a heart пацієнт). These patches have a stretchable wiring and thus can bend or stretch to up to 45 precent based upon the movement of the wearer. These are considered as having the most flexible and durable design in recent times. The continuous shedding of human skin cells could mean that the patch might fall off after a few days but this can be worked around.
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.
***
{Ви можете прочитати оригінальну дослідницьку роботу, натиснувши посилання DOI, наведене нижче в списку цитованих джерел(ів)}
Джерела
1. Zou Z та ін. 2018. Електронна шкіра, що піддається повторній переробці, повністю піддається переробці та ковка, завдяки динамічному ковалентному термореактивному нанокомпозиту. Наука розвивається. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508
2. Сомея Т. 2018. Постійний моніторинг здоров'я за допомогою ультрагнучких датчиків на шкірі. Симпозіум щорічних зустрічей AAAS, Остін, Техас, 17 лютого 2018 р.
