Upptäckten av en ny typ av formbar, självläkande och helt återvinningsbar "elektronisk hud" har breda tillämpningar inom hälsoövervakning, robotteknik, proteser och förbättrad biomedicinsk utrustning.
En studie som publicerades i Vetenskap Förskott visar upp en ny elektronisk hud (eller helt enkelt e-skin) som har en mängd egenskaper inklusive formbarhet, självläkande och full återvinningsbarhet jämfört med människan hud1Huden, vårt största organ, är det köttiga höljet sett utifrån. Vår hud är ett mycket mångsidigt organ som fungerar som en vattentät, isolerande sköld och skyddar vår kropp från en mängd olika yttre faror eller faktorer, t.ex. skadlig sol. Några av hudens funktioner är reglering av kroppstemperatur, skydd av kroppen från intag av giftiga ämnen och även utsöndring av giftiga ämnen (tillsammans med svett), mekaniskt och immunologiskt stöd och produktion av det avgörande D-vitamin vilket är mycket viktigt för våra skelett. Huden är också en enorm sensor med gott om nerver för att omedelbart kommunicera med hjärnan.
Forskare över hela världen har arbetat med att utveckla olika typer och storlekar av bärbara e-skins' med målet att försöka härma biologiska huden och dess olika funktioner. Det finns ett stort behov av flexibla och töjbara enheter för sömlös integration med mjuk och krökt mänsklig hud. Nanoskala (10-9m) material kan ge den nödvändiga mekaniska och elektriska mångsidigheten som ersätter det styva kisel som vanligtvis har använts tidigare. Teamet ledd av Dr Jianliang Xiao vid University of Colorado, Boulder, USA har framgångsrikt utvecklat en artificiell elektronisk hud (e-skin) med målet att översätta sensorisk beröring av den mänskliga huden till robotar och proteser. Detta försök är i riktning mot att ha en "bärbar" teknologi i framtiden som skulle ha enorm potential och värde inom medicinska, vetenskapliga och tekniska områden.
E-skin: självläkande och återvinningsbar
E-skin är ett tunt, genomskinligt material med en roman typ av kovalent bundet dynamiskt polymernätverk, kallat polyimin, som är spätt med silvernanopartiklar för förbättrad mekanisk styrka, kemisk stabilitet och elektrisk ledningsförmåga. Denna e-skin har även sensorer inbäddade för att mäta tryck, temperatur, luftfuktighet och luftflöde. Denna e-skin anses vara anmärkningsvärd eftersom den har införlivats med många funktioner som gör den till en extremt närmare imitation av den mänskliga huden. Den är mycket formbar och kan lätt placeras på böjda ytor (t.ex. mänskliga armar och ben, robothänder) genom att applicera måttlig värme och tryck på den utan att införa alltför stora påfrestningar. Den har fantastiska självläkande egenskaper där e-skin återskapar de kemiska bindningarna mellan de två åtskilda sidorna vid varje skär eller skada orsakad av en yttre omständighet, vilket återställer matrisen för dess korrekta funktionalitet och återgår till sitt ursprungliga bundna tillstånd.
Om denna e-skin blir oanvändbar på grund av någon omständighet kan den återvinnas helt och förvandlas till en helt ny e-skin genom att placera den i en återvinningslösning som "flyter" det befintliga e-skinmaterialet och förvandlar det till ett " ny” e-skin. Denna återvinningslösning – en blandning av tre kommersiellt tillgängliga kemiska föreningar i etanol – bryter ner polymerer och silvernanopartiklar sjunker i botten av lösningen. Dessa nedbrutna polymerer kan användas på nytt för att göra nya funktionella e-skin. Denna självläkande och återvinningsbarhet som kan uppnås vid rumstemperatur tillskrivs den kemiska bindningen av den använda polymeren. Fördelen med polymert nätverk av polyimin är att det är reversibelt och kan brytas och återvinnas till skillnad från de flesta konventionella termostatmaterial som varken kan omformas eller bearbetas eller återvinnas på grund av de irreversibla bindningarna i deras tvärbundna polymera nätverk. Detta är mer robust än mänsklig hud i sig och det kan användas som en förbättring av den snarare än som ersättning. Den är också behaglig att röra vid och känns nästan som äkta hud som möjligen skulle kunna göra den som ett täckmedel i framtiden, till exempel elektroniska enheter.
Miljövänliga och billiga egenskaper hos e-skin har hyllats och sådan e-skin kan avsevärt minska elektroniskt avfall och miljöpåverkan och kan vara mycket användbar och populär bland tillverkare inom olika områden. Även om det kan låta långsökt för tillfället, kan denna återanvändningsteknik också användas på liknande sätt på gamla elektronikartiklar. Faktum är att moderna träningsspårare och hälsomonitorer när de en gång skadats bidrar till det växande berget av miljörelaterade problem med sammansättning av e-avfall. E-skin kan bäras runt våra halsar eller på våra handleder och dessa kan vara som flexibla wearables eller tillfälliga tatueringar och när de blir skadade kan de återvinnas och återanvändas. Eftersom e-skin är flexibel kan den böjas och vridas och kan göras skräddarsydd efter bäraren. Tekniken öppnar vägar för intelligent robotik där en sådan behaglig att känna och bekväm elektronisk hud kan lindas runt kroppen på en robot eller en konstgjord lem. För att förtydliga kan en arm- eller benprotes som är inlindad i denna elektroniska hud tillåta bäraren att reagera på temperatur- och tryckförändringar på grund av de många sensorerna som är inbyggda i den. Robotarmar eller ben som är utrustade med en sådan e-skin kan göra att robotarna agerar mer känsligt mot människor och blir mer säkra och pålitliga. Till exempel kan e-skin anpassas specifikt till en robot som hanterar en baby eller en bräcklig äldre och därför kommer roboten inte att anbringa för mycket kraft. En annan tillämpning av e-skin kan vara potentiellt i farliga miljöer eller högriskjobb. Det är troligt att denna teknik skulle kunna användas med virtuella knappar, kontroller eller dörrar som skulle möjliggöra vilken funktion som helst utan mänsklig fysisk interaktion, till exempel inom sprängämnesindustrin eller andra farliga arbetsområden, och därmed kan denna e-skin kanske minska chanserna av någon mänsklig skada.
Lägger till display till e-skin
Ett team av forskare vid University of Tokyo har nyligen lagt till en skärm2(mikro-LED) till ultratunna, plåster-liknande e-hudplåster för att möjliggöra visning av olika tecken på hälsoövervakning i realtid (t.ex. mätning av glukosnivåer hos personer med diabetes eller den rörliga vågformen av ett elektrokardiogram av ett hjärta Patienten). Dessa plåster har en töjbar ledning och kan därför böjas eller sträckas till upp till 45 procent baserat på bärarens rörelse. Dessa anses ha den mest flexibla och hållbara designen på senare tid. Det kontinuerliga avfallet av mänskliga hudceller kan innebära att plåstret kan falla av efter några dagar, men detta kan lösas.
Denna studie, ledd av professor Takao Someya, konstaterar att en sådan display så småningom kan användas för att möjliggöra läsning och kommunikation av medicinsk information på ett sömlöst och enkelt sätt, inte bara för patienter utan även för familjemedlemmar, vårdgivare och vårdpersonal, antingen personligen eller till och med avlägset. Den skulle också ta emot meddelanden. Forskarna siktar på att ytterligare förbättra plåstrets tillförlitlighet, göra det mer kostnadseffektivt och även öka dess produktion för en bredare räckvidd runt om i världen. Deras mål är att lansera denna enhet på marknaden i slutet av 2020.
kommande utmaningar
Utvecklingen av e-skin är en mycket spännande ny forskning, men en av de grundläggande egenskaperna hos vår – flexibilitet och stretchförmåga – har ännu inte uppnåtts framgångsrikt med e-skin. E-huden är mjuk men inte lika stretchig som människohud. Enligt författarna är materialet som det ser ut inte heller särskilt lätt att reproducera. En liten minskning av den totala avkänningsprestandan i en återhämtad/återvunnen e-skin-enhet sågs jämfört med en ny modul, detta måste åtgärdas fullt ut med ytterligare forskning. Magnetfälten som används av e-skins är också ganska höga och behöver skalas ner. För närvarande drivs enheten från en extern källa vilket är väldigt opraktiskt, men det borde vara möjligt att ha uppladdningsbara, små batterier för att driva enheten istället. Dr.Xiao och hans team vill förfina denna produkt och förbättra skalningslösningen så att åtminstone de ekonomiska hindren kan överträffas och denna e-skin ska vara lättare att tillverka och placera på robotar eller proteser eller medicinsk utrustning eller något annat.
***
{Du kan läsa den ursprungliga forskningsartikeln genom att klicka på DOI-länken nedan i listan över citerade källor}
Källa (er)
1. Zou Z et al. 2018. Återläkbar, helt återvinningsbar och formbar elektronisk hud som möjliggörs av dynamisk kovalent härdplast nanokomposit. Vetenskap Förskott. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508
2. Someya T. 2018. Kontinuerlig hälsoövervakning med ultraflexibla sensorer på huden. AAAS Annual Meeting Symposium, Austin, Texas, 17 februari 2018.
