Откриването на нов тип ковка, самовъзстановяваща се и напълно рециклируема „електронна кожа“ има широко приложение в мониторинга на здравето, роботиката, протезирането и подобрените биомедицински устройства.
Проучване, публикувано в Наука Авансите представя нова електронна кожа (или просто електронна кожа), която има множество свойства, включително ковкост, самовъзстановяване и пълна рециклируемост в сравнение с човешката кожа1.Кожата, нашият най-голям орган, е месестата обвивка, гледана отвън. Нашата кожа е много гъвкав орган, който действа като водоустойчив, изолиращ щит и предпазва тялото ни от различни външни опасности или фактори, например вредното слънце. Някои от функциите на кожата са регулиране на телесната температура, защита на тялото от прием на токсични вещества, а също и отделяне на токсични вещества (заедно с потта), механична и имунологична подкрепа и производство на важни витамин D което е много важно за нашите кости. Кожата също е огромен сензор с достатъчно нерви, за да комуникира незабавно с мозъка.
Изследователи от цял свят работят върху разработването на различни видове и размери на „носими електронни кожи“ с цел да се опитаме да имитираме биологичен кожата и нейните различни функции. Съществува силна нужда от гъвкави и разтегливи устройства за безпроблемна интеграция с мека и криволинейна човешка кожа. Наномащаб (10-9м) материалите могат да осигурят необходимата механична и електрическа гъвкавост, като заменят твърдия силиций, който обикновено е бил използван преди. Екипът, ръководен от д-р Jianliang Xiao от Университета на Колорадо, Боулдър, САЩ успешно разработи изкуствена електронна кожа (е-кожа) с цел да преведе сензорното докосване на човешката кожа върху роботи и протези. Този опит е в посока в бъдеще да има "носима" технология, която би имала огромен потенциал и стойност в медицински, научни и инженерни области.
Е-кожа: самовъзстановяваща се и рециклируема
E-skin е тънък, полупрозрачен материал, който има роман вид ковалентно свързана динамична полимерна мрежа, наречена полиимин, която е подплатена със сребърни наночастици за подобрена механична якост, химическа стабилност и електрическа проводимост. Тази електронна кожа също има сензори, вградени в нея за измерване на налягане, температура, влажност и въздушен поток. Тази електронна кожа се смята за забележителна, защото е вградена с много функции, които я правят изключително близка имитация на човешката кожа. Той е силно ковък и може лесно да се постави върху извити повърхности (напр. човешки ръце и крака, роботизирани ръце) чрез прилагане на умерена топлина и натиск върху него, без да се създават прекомерни напрежения. Има невероятни самовъзстановяващи се свойства, при които при всяко порязване или повреда, причинена от външно обстоятелство, електронната кожа пресъздава химическите връзки между двете разделени страни, възстановявайки матрицата за нейната правилна функционалност и връщайки се в първоначалното си свързано състояние.
Ако тази електронна кожа стане неизползваема поради някакво обстоятелство, тя може да бъде напълно рециклирана и превърната в чисто нова електронна кожа, като се постави в разтвор за рециклиране, който „втечнява“ съществуващия материал за електронна кожа и го превръща в „ нова” електронна кожа. Този разтвор за рециклиране – смес от три търговски достъпни химически съединения в етанол – разгражда полимерите и сребърните наночастици потъват на дъното на разтвора. Тези разградени полимери могат да се използват отново за създаване на нова функционална електронна кожа. Това самовъзстановяване и рециклиране, което е постижимо при стайна температура, се дължи на химическото свързване на използвания полимер. Предимството на полимерната мрежа от полиимин е, че е обратима и може да бъде разбита и рециклирана за разлика от повечето конвенционални термостатни материали, които не могат да бъдат нито преоформени, нито преработени, нито рециклирани поради необратимите връзки в техните омрежени полимерни мрежи. Това е по-здраво от самата човешка кожа и може да се използва като подобрение, а не като замяна. Освен това е приятен на допир и се усеща почти като истинска кожа, която евентуално би могла да се превърне в покриващ агент в бъдеще, например на електронни устройства.
Екологичните и евтини свойства на електронната кожа бяха приветствани и такава електронна кожа може значително да намали електронните отпадъци и въздействието върху околната среда и може да бъде много използваема и популярна сред производителите в различни области. Въпреки че може да звучи пресилено в момента, тази технология за повторна употреба може да се приложи по подобен начин и към стари електронни елементи. Всъщност съвременните фитнес тракери и здравни монитори, веднъж повредени, добавят към нарастващата планина от проблеми, свързани с околната среда, свързани с образуването на електронни отпадъци. Електронната кожа може да се носи около вратовете ни или на китките ни и те могат да бъдат като гъвкави носими предмети или временни татуировки и когато се повредят, могат да бъдат рециклирани и използвани повторно. Тъй като електронната кожа е гъвкава, тя може да се огъва и усуква и може да се персонализира според потребителя. Технологията отваря пътища за интелигентни роботика в който такава приятна на усещане и удобна електронна кожа може да бъде увита около тялото на робот или изкуствен крайник. За да уточним, протезна ръка или крак, които са обвити в тази електронна кожа, могат да позволят на потребителя да реагира на промените в температурата и налягането поради множеството сензори, включени в нея. Роботизираните ръце или крака, снабдени с такава електронна кожа, могат да накарат роботите да действат по-деликатно спрямо хората и да бъдат по-безопасни и надеждни. Например, електронната кожа може да бъде специално монтирана на робот, който се грижи за бебе или крехък възрастен човек и по този начин роботът няма да прилага твърде много сила. Друго приложение на e-skin може да бъде потенциално в опасни среди или високорискови работни места. Вероятно е тази технология да се използва с виртуални бутони, контроли или врати, които биха позволили всяка операция без човешко физическо взаимодействие, например в индустрията за експлозиви или други опасни работни линии, и по този начин тази електронна кожа може да намали шансовете от всяко човешко нараняване.
Добавяне на дисплей към e-skin
Екип от изследователи от университета в Токио наскоро добавиха дисплей2(micro-LED) до ултратънки електронни лепенки в стил лейкопласт, за да се даде възможност за показване на различни признаци за наблюдение на здравето в реално време (напр. измерване на нивата на глюкоза при хора с диабет или движещата се форма на вълната на електрокардиограма на сърце пациент). Тези лепенки имат разтегливо окабеляване и по този начин могат да се огъват или разтягат до 45 процента въз основа на движението на потребителя. Счита се, че имат най-гъвкавия и издръжлив дизайн в последно време. Продължителното отделяне на човешки кожни клетки може да означава, че пластирът може да падне след няколко дни, но това може да се заобиколи.
Това проучване, водено от професор Такао Сомея, заявява, че такъв дисплей може в крайна сметка да се използва за четене и предаване на медицинска информация по безпроблемен и лесен начин не само за пациенти, но и за членове на семейството, лица, полагащи грижи и здравни специалисти лично или дори от разстояние. Ще получава и съобщения. Изследователите се стремят да подобрят допълнително надеждността на пластира, да го направят по-рентабилен и също така да увеличат производството му за по-широк обхват по целия свят. Целта им е да пуснат това устройство на пазара до края на 2020 г.
Бъдещи предизвикателства
Разработването на електронна кожа е много вълнуващо ново изследване, но едно от основните свойства на нашата – гъвкавост и способност за разтягане – тепърва ще бъде успешно постигнато от електронната кожа. Електронната кожа е мека, но не толкова разтеглива като човешката кожа. Според авторите, в този вид материалът също не е много лесно възпроизводим. Наблюдава се леко намаление на общата производителност на сензорите в повторно заздравено/рециклирано устройство за електронна кожа в сравнение с нов модул, което трябва да бъде напълно разгледано с по-нататъшни изследвания. Магнитните полета, използвани от електронните кожи, също са доста високи и трябва да бъдат намалени. Понастоящем устройството се захранва от външен източник, което е много непрактично, но вместо това трябва да е възможно да има презареждащи се малки батерии за захранване на устройството. Д-р Сяо и неговият екип искат да усъвършенстват този продукт и да подобрят решението за мащабиране, така че поне икономическите препятствия да могат да бъдат преодолени и тази електронна кожа да бъде по-лесна за производство и поставяне върху роботи или протези, медицински устройства или нещо друго.
***
{Можете да прочетете оригиналната изследователска статия, като щракнете върху връзката DOI, дадена по-долу в списъка с цитирани източници}
Източник (и)
1. Zou Z et al. 2018. Възстановяема, напълно рециклируема и ковка електронна кожа, активирана от динамичен ковалентен термореактивен нанокомпозит. Наука Авансите. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508
2. Someya T. 2018. Непрекъснат здравен мониторинг със свръхгъвкави сензори върху кожата. Симпозиум за годишна среща на AAAS, Остин, Тексас, 17 февруари 2018 г.
