Odkritje nove vrste kovljive, samozdravljive in popolnoma reciklirane »elektronske kože« ima široko uporabo pri spremljanju zdravja, robotiki, protetiki in izboljšanih biomedicinskih napravah.
Študija, objavljena v Znanost Predplačila predstavlja novo elektronsko kožo (ali preprosto e-kožo), ki ima številne lastnosti, vključno z kovljivostjo, samozdravljenjem in popolno možnostjo recikliranja v primerjavi s človeško koža1.Koža, naš največji organ, je mesnati ovoj, če ga gledamo od zunaj. Naša koža je zelo vsestranski organ, ki deluje kot vodoodporen, izolacijski ščit in ščiti naše telo pred različnimi zunanjimi nevarnostmi ali dejavniki, npr. škodljivim soncem. Nekatere funkcije kože so uravnavanje telesne temperature, zaščita telesa pred vnosom strupenih snovi in tudi izločanje strupenih snovi (skupaj z znojem), mehanska in imunološka podpora ter proizvodnja ključnega pomena. vitamin D kar je zelo pomembno za naše kosti. Koža je tudi ogromen senzor z dovolj živcev za takojšnjo komunikacijo z možgani.
Raziskovalci po vsem svetu delajo na razvoju različnih vrst in velikosti "nosljivih". e-kože' s ciljem, da poskušam posnemati biološka kožo in njene različne funkcije. Obstaja velika potreba po prilagodljivih in raztegljivih napravah za brezhibno integracijo z mehko in ukrivljeno človeško kožo. Nano merilo (10-9m) materiali lahko zagotovijo zahtevano mehansko in električno vsestranskost, ki nadomesti tog silicij, ki je bil običajno uporabljen prej. Ekipa, ki jo vodi dr. Jianliang Xiao na Univerzi v Koloradu, Boulder, ZDA, je uspešno razvila umetno elektronsko kožo (e-skin) s ciljem prevesti senzorični dotik človeške kože na robote in protetiko. Ta poskus je v smeri, da bi v prihodnosti imeli »nosljivo« tehnologijo, ki bi imela velik potencial in vrednost na medicinskih, znanstvenih in inženirskih področjih.
E-koža: samozdravljiva in reciklirana
E-skin is a thin, translucent material having a roman 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.
Če ta e-koža zaradi kakršne koli okoliščine postane neuporabna, jo je mogoče popolnoma reciklirati in spremeniti v popolnoma novo e-kožo, tako da jo daste v raztopino za recikliranje, ki »utekočini« obstoječi material e-kože in ga spremeni v » nova” e-koža. Ta raztopina za recikliranje – mešanica treh komercialno dostopnih kemičnih spojin v etanolu – razgradi polimere in nanodelci srebra se potopijo na dno raztopine. Te razgrajene polimere je mogoče znova uporabiti za izdelavo nove funkcionalne e-kože. To samozdravljenje in možnost recikliranja, ki ga je mogoče doseči pri sobni temperaturi, pripisujemo kemični vezi uporabljenega polimera. Prednost polimerne mreže poliimina je, da je reverzibilna in jo je mogoče razbiti in reciklirati za razliko od večine običajnih termostatskih materialov, ki jih ni mogoče niti preoblikovati, predelati ali reciklirati zaradi ireverzibilnih vezi znotraj njihovih zamreženih polimernih mrež. To je bolj robustno kot človeška koža sama in bi se lahko uporabljala kot izboljšava in ne kot zamenjava. Prav tako je prijeten na dotik in je na otip skoraj kot prava koža, ki bi ga lahko v prihodnosti naredila kot pokrivno sredstvo, recimo elektronskih naprav.
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 robotika 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.
Dodajanje zaslona v e-skin
Skupina raziskovalcev na univerzi v Tokiu je pred kratkim dodala zaslon2(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 Bolnik). 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.
Ta študija, ki jo je vodil profesor Takao Someya, navaja, da se lahko tak zaslon sčasoma uporabi za omogočanje nemotenega in enostavnega branja in sporočanja zdravstvenih informacij ne le za bolnike, ampak tudi za družinske člane, negovalce in zdravstvene delavce osebno ali celo na daljavo. Prejel bi tudi sporočila. Cilj raziskovalcev je še izboljšati zanesljivost obliža, ga narediti stroškovno učinkovitejšega in povečati njegovo proizvodnjo za širši doseg po vsem svetu. Njihov cilj je, da bi to napravo na trg predstavili do konca leta 2020.
Izzivi pred nami
Razvoj e-kože je zelo vznemirljiva nova raziskava, vendar pa e-koža še ni uspela doseči ene od temeljnih lastnosti naše prožnosti in raztegljivosti. E-koža je mehka, vendar ne tako raztegljiva kot človeška koža. Po mnenju avtorjev material, kot je v sedanji obliki, tudi ni zelo enostavno ponovljiv. V primerjavi s svežim modulom je bilo opaziti rahlo zmanjšanje splošne zmogljivosti zaznavanja v ponovno očiščeni/reciklirani napravi e-skin, kar je treba v celoti odpraviti z nadaljnjimi raziskavami. Tudi magnetna polja, ki jih uporabljajo e-skini, so precej visoka in jih je treba zmanjšati. Trenutno se naprava napaja iz zunanjega vira, kar je zelo nepraktično, vendar bi moralo biti mogoče namesto tega imeti polnilne majhne baterije za napajanje naprave. Dr. Xiao in njegova ekipa želita izboljšati ta izdelek in izboljšati rešitev za skaliranje, tako da je mogoče preseči vsaj ekonomske ovire in da bi bilo to e-kožo lažje izdelati in namestiti na robote ali protetiko ali medicinske pripomočke ali kaj drugega.
***
{Izvirno raziskovalno nalogo lahko preberete s klikom na spodnjo povezavo DOI na seznamu citiranih virov}
Vir (i)
1. Zou Z et al. 2018. Ponovljiva, v celoti reciklirana in kovljiva elektronska koža, ki jo omogoča dinamični kovalentni termosetni nanokompozit. Znanost Predplačila. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508
2. Someya T. 2018. Stalno spremljanje zdravja z ultra prilagodljivimi senzorji na koži. Simpozij letnega srečanja AAAS, Austin, Teksas, 17. februar 2018.
