„e-Skin“ што ја имитира биолошката кожа и нејзините функции

Откривањето на нов тип на податлива, само-заздравувачка и целосно рециклирана „електронска кожа“ има широка примена во следењето на здравјето, роботиката, протетиката и подобрените биомедицински уреди.

Студија објавена во Напредокот на науката прикажува нова електронска кожа (или едноставно е-кожа) која има мноштво својства, вклучувајќи податливост, само-заздравување и целосна рециклирање во споредба со човечката кожата¹.Кожата, нашиот најголем орган, е месестиот покрив кога се гледа однадвор. Нашата кожа е многу разновиден орган кој делува како водоотпорен, изолациски штит и го чува нашето тело од различни надворешни опасности или фактори, на пример, оштетување на сонцето. Некои од функциите на кожата се регулирање на телесната температура, заштита на телото од внесување на токсични материи и исто така излачување на токсични материи (заедно со пот), механичка и имунолошка поддршка и производство на клучните витамин Д што е многу важно за нашите коски. Кожата е исто така огромен сензор со доволно нерви за инстантна комуникација со мозокот.

Истражувачите ширум светот работеа на развој на различни типови и големини на „погодни за носење“. е-кожи“ со цел да се обидат да имитираат биолошки кожата и нејзините различни функции. Постои голема потреба од флексибилни и растегливи уреди за беспрекорна интеграција со мека и кривилинеарна човечка кожа. Наноскала (10^-9м) материјалите можат да ја обезбедат потребната механичка и електрична разновидност заменувајќи го крутиот силициум кој вообичаено се користел порано. Тимот предводен од д-р Џианлианг Ксијао од Универзитетот во Колорадо, Болдер, САД успешно разви вештачка електронска кожа (е-кожа) со цел да го преведе сетилниот допир на човечката кожа на роботи и протетика. Овој обид е во насока во иднина да се има „нослива“ технологија која би имала огромен потенцијал и вредност во медицинските, научните и инженерските области.

Е-кожа: самолекува и може да се рециклира

Е-кожата е тенок, проѕирен материјал кој има а роман тип на ковалентно поврзана динамична полимерна мрежа, наречена полиимин, која е обложена со сребрени наночестички за подобрена механичка сила, хемиска стабилност и електрична спроводливост. Оваа е-кожа има и вградени сензори за мерење на притисок, температура, влажност и проток на воздух. Оваа е-кожа се смета за извонредна бидејќи е вградена со многу карактеристики што ја прават исклучително поблиска имитација на човечката кожа. Тој е многу податлив и може лесно да се постави на заоблени површини (на пр. човечки раце и нозе, роботски раце) со примена на умерена топлина и притисок врз него без да се воведуваат прекумерни напрегања. Има неверојатни својства за самолекување при што при какво било рез или оштетување предизвикано од надворешна околност, е-кожата ги рекреира хемиските врски помеѓу двете одвоени страни, враќајќи ја матрицата за нејзината правилна функционалност и враќајќи се во првобитната сврзана состојба.

Доколку оваа е-кожа стане неупотреблива поради која било околност, може целосно да се рециклира и да се претвори во сосема нова е-кожа со тоа што ќе ја ставите во раствор за рециклирање што го „течност“ постојниот материјал за е-кожа и го претвора во „ нова“ е-кожа. Овој раствор за рециклирање - мешавина од три комерцијално достапни хемиски соединенија во етанол - ги разградува полимерите и сребрените наночестички тонат на дното на растворот. Овие деградирани полимери може да се користат повторно за да се направи нова функционална е-кожа. Ова само-заздравување и рециклирање што се постигнува на собна температура се припишува на хемиското поврзување на употребениот полимер. Предноста на полимерната мрежа од полиимин е тоа што таа е реверзибилна и може да се скрши и рециклира за разлика од повеќето конвенционални термостатски материјали кои не можат ниту да се преобликуваат или преработуваат или рециклираат поради неповратните врски во нивните вкрстено поврзани полимерни мрежи. Ова е поцврсто од самата човечка кожа и може да се користи како нејзино подобрување наместо замена. Исто така е пријатно за допир и се чувствува речиси како вистинска кожа, што би можело да го направи како средство за покривање во иднина, да речеме електронски уреди.

Еко-пријателски и евтини својства на е-кожата се поздравени и таквата е-кожа може во голема мера да го намали електронскиот отпад и влијанието врз животната средина и може да биде многу употреблива и популарна кај производителите од различни области. Иако може да звучи неверојатно во моментот, оваа технологија за повторна употреба може да се примени на сличен начин и на старите електронски елементи. Всушност, современите фитнес тракери и здравствени монитори кои некогаш биле оштетени, се зголемуваат на сè поголемите проблеми поврзани со животната средина со мешање на е-отпад. Електронската кожа може да се носи околу вратот или на зглобовите, а тие би можеле да бидат како флексибилни уреди за носење или привремени тетоважи и секогаш кога ќе се оштетат може да се рециклираат и повторно да се користат. Со оглед на тоа што е-кожата е флексибилна, може да се свитка и извиткува и може да се приспособи според корисникот. Технологијата отвора патишта за интелигентни роботика во која пријатна за чувство и удобна електронска кожа може да се завитка околу телото на робот или вештачки екстремитет. За подетално, протетската рака или нога која е обвиткана во оваа електронска кожа може да му овозможи на носителот да реагира на промените на температурата и притисокот поради повеќекратните сензори вградени во неа. Роботичките раце или нозе опремени со таква е-кожа може да ги натераат роботите да дејствуваат понежно кон луѓето и да бидат побезбедни и посигурни. На пример, е-кожата може да биде специјално поставена на робот кој ракува со бебе или со кревки постари лица и на тој начин роботот нема да применува премногу сила. Друга примена на е-кожата може да биде потенцијално во опасни средини или високоризични работни места. Веројатно е дека оваа технологија би можела да се користи со виртуелни копчиња, контроли или врати кои би овозможиле каква било операција без човечка физичка интеракција, на пример во индустријата за експлозиви или други опасни линии на работа, а со тоа оваа електронска кожа можеби ќе може да ги намали шансите за каква било човечка повреда.

Додавање екран на е-скин

Тим истражувачи од Универзитетот во Токио неодамна додадоа дисплеј²(микро-LED) до ултратенки, фластери за е-кожа во стилот на фластери за да овозможат прикажување на различни знаци на следење на здравјето во реално време (на пр. мерење на нивото на гликоза кај луѓе со дијабетес или подвижна бранова форма на електрокардиограм на срце пациентот). Овие лепенки имаат растеглива жици и на тој начин може да се свиткаат или да се истегнат до 45 проценти врз основа на движењето на носителот. Овие се сметаат за најфлексибилни и издржливи дизајни во последно време. Континуираното опаѓање на клетките на човечката кожа може да значи дека фластерот може да падне по неколку дена, но ова може да се реши.

Оваа студија, предводена од професорот Такао Сомеја, наведува дека таков приказ на крајот може да се користи за да се овозможи читање и комуницирање медицински информации на беспрекорен и лесен начин не само за пациентите, туку и за членовите на семејството, давателите на нега и здравствените работници, лично или дури од далечина. Ќе добиваше и пораки. Истражувачите имаат за цел дополнително да ја подобрат доверливоста на лепенката, да ја направат поекономична и исто така да го зголемат неговото производство за поширок досег низ целиот свет. Нивната цел е да го лансираат овој уред на пазарот до крајот на 2020 година.

Предизвици пред нас

Развојот на е-кожата е многу возбудливо ново истражување, меѓутоа, едно од основните својства на нашата - флексибилност и способност за истегнување - допрва треба успешно да се постигне со е-кожата. Е-кожата е мека, но не толку растеглива како човечката кожа. Според авторите, како што стои материјалот исто така не е многу лесно репродуциран. Беше забележано мало намалување на севкупните перформанси на сензори во уред за повторно заздравување/рециклирање на е-кожа во споредба со нов модул, што треба целосно да се реши со понатамошни истражувања. Магнетните полиња што ги користат е-скините се исто така доста високи и треба да се намалат. Во моментов, уредот се напојува од надворешен извор, што е многу непрактично, но наместо тоа би требало да биде возможно да има мали батерии што се полнат за да го напојуваат уредот. Д-р. Ксијао и неговиот тим сакаат да го усовршат овој производ и да го подобрат решението за скалирање, така што барем економските пречки може да се надминат и оваа е-кожа треба да биде полесна за производство и поставување на роботи или протетика или медицински помагала или што било друго.

***

Извор (и)

1. Зу З и сор. 2018. Електронска кожа што може да се обнови, целосно да се рециклира и податлива, овозможена со динамичен ковалентен термозацврстен нанокомпозит. Напредокот на науката. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508

2. Someya T. 2018. Континуирано следење на здравјето со ултрафлексибилни сензори на кожата. Симпозиум за годишен состанок на АААС, Остин, Тексас, 17 февруари 2018 година. https://aaas.confex.com/aaas/2018/meetingapp.cgi/Paper/20827

3. Јокота Т. и др. Ултрафлексибилна органска фотонска кожа. НАПРЕДОЦИ ВО НАУКАТА. 15 април 2016 година. Том 2, Број 4. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.1501856

***