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 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.
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.
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 роботика 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.
Добавяне на дисплей към e-skin
Екип от изследователи от университета в Токио наскоро добавиха 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 пациент). 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.
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.
