Objev nového typu tvárné, samoléčivé a zcela recyklovatelné „elektronické kůže“ má široké uplatnění v monitorování zdraví, robotice, protetice a vylepšených biomedicínských zařízeních.
Studie zveřejněná v Věda Zálohy představuje nový elektronický skin (nebo jednoduše e-skin), který má ve srovnání s lidskými vlastnostmi mnoho vlastností včetně tvárnosti, samoléčení a plné recyklovatelnosti. kůže1Kůže, náš největší orgán, je při pohledu zvenčí masitým obalem. Naše kůže je vysoce univerzální orgán, který funguje jako vodotěsný, izolační štít a chrání naše tělo před řadou vnějších nebezpečí nebo faktorů, např. škodlivým sluncem. Jednou z funkcí kůže je regulace tělesné teploty, ochrana těla před příjmem toxických látek a také vylučování toxických látek (spolu s potem), mechanická a imunologická podpora a produkce rozhodujících látek. vitamin D který je velmi důležitý pro naše kosti. Kůže je také obrovský senzor s dostatkem nervů pro okamžitou komunikaci s mozkem.
Vědci po celém světě pracují na vývoji různých typů a velikostí „nositelných“. elektronické skiny“ s cílem pokusit se napodobit biologický kůže a její různé funkce. Existuje silná potřeba flexibilních a roztažitelných zařízení pro bezproblémovou integraci s měkkou a zakřivenou lidskou pokožkou. Nanoměřítko (10-9m) materiály mohou poskytnout požadovanou mechanickou a elektrickou všestrannost nahrazující tuhý křemík, který byl obvykle používán dříve. Tým vedený Dr. Jianliang Xiao na University of Colorado, Boulder, USA úspěšně vyvinul umělou elektronickou kůži (e-skin) s cílem převést smyslový dotek lidské kůže na roboty a protetiku. Tento pokus směřuje k tomu, abychom měli v budoucnu „nositelnou“ technologii, která by měla obrovský potenciál a hodnotu v lékařských, vědeckých a technických oborech.
E-skin: samoopravující a recyklovatelná
E-skin is a thin, translucent material having a román 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.
Pokud se tento e-skin stane nepoužitelným kvůli jakýmkoli okolnostem, může být zcela recyklován a přeměněn na zcela nový e-skin umístěním do recyklačního roztoku, který „zkapalní“ stávající materiál e-skin a přemění ho na „ nový“ e-skin. Tento recyklační roztok – směs tří komerčně dostupných chemických sloučenin v etanolu – degraduje polymery a nanočástice stříbra klesají na dno roztoku. Tyto degradované polymery lze znovu použít k vytvoření nového funkčního e-skinu. Tato samoopravitelnost a recyklovatelnost, která je dosažitelná při pokojové teplotě, je připisována chemické vazbě použitého polymeru. Výhodou polymerní sítě z polyiminu je, že je reverzibilní a může být rozbita a recyklována na rozdíl od většiny konvenčních materiálů pro termostaty, které nelze ani přetvářet, znovu zpracovávat nebo recyklovat kvůli nevratným vazbám v jejich zesíťovaných polymerních sítích. To je robustnější než samotná lidská kůže a mohlo by být použito jako jeho vylepšení spíše než náhrada. Je také příjemný na dotek a působí téměř jako skutečná kůže, což by mohlo v budoucnu sloužit jako krycí prostředek, řekněme elektronických zařízení.
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.
Přidání displeje do e-skin
Tým výzkumníků z Tokijské univerzity nedávno přidal displej2(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 pacient). 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.
Tato studie vedená profesorem Takao Someyou uvádí, že takový displej může být nakonec použit k umožnění čtení a sdělování lékařských informací bezproblémovým a snadným způsobem nejen pro pacienty, ale také pro rodinné příslušníky, pečovatele a zdravotníky, ať už osobně nebo dokonce na dálku. Přijímalo by také zprávy. Cílem výzkumníků je dále zlepšit spolehlivost náplasti, zefektivnit ji z hlediska nákladů a také zvýšit její produkci pro širší dosah po celém světě. Jejich cílem je uvést toto zařízení na trh do konce roku 2020.
Budoucí úkoly
Vývoj e-skin je velmi vzrušující nový výzkum, nicméně jedné ze základních vlastností naší – pružnosti a roztažitelnosti – e-skin dosud úspěšně nedosáhl. E-kůže je měkká, ale není tak pružná jako lidská kůže. Podle autorů není materiál ve stávající podobě také příliš snadno reprodukovatelný. V porovnání s novým modulem bylo pozorováno mírné snížení celkového výkonu snímání u přepracovaného/recyklovaného zařízení s elektronickou kůží, což je třeba plně vyřešit dalším výzkumem. Magnetická pole používaná elektronickými skiny jsou také poměrně vysoká a je třeba je zmenšit. V současné době je zařízení napájeno z externího zdroje, což je velmi nepraktické, ale místo toho by mělo být možné mít nabíjecí malé baterie pro napájení zařízení. Dr. Xiao a jeho tým chtějí tento produkt vylepšit a zlepšit škálovací řešení tak, aby bylo možné překonat alespoň ekonomické překážky a tento e-skin by měl být snazší vyrobit a umístit na roboty nebo protetiku nebo lékařské přístroje nebo cokoli jiného.
***
{Původní výzkumný dokument si můžete přečíst kliknutím na odkaz DOI uvedený níže v seznamu citovaných zdrojů}
Zdroje)
1. Zou Z a kol. 2018. Obnovitelná, plně recyklovatelná a tvárná elektronická kůže, kterou umožňuje dynamický kovalentní termosetový nanokompozit. Věda Zálohy. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508
2. Someya T. 2018. Nepřetržité monitorování zdraví pomocí ultraflexibilních senzorů na kůži. AAAS Annual Meeting Symposium, Austin, Texas, 17. února 2018.
