Jauna veida kaļamas, pašdziedinošas un pilnībā pārstrādājamas "elektroniskās ādas" atklāšanai ir plašs pielietojums veselības uzraudzībā, robotikā, protezēšanā un uzlabotās biomedicīnas ierīcēs.
Pētījums publicēts Zinātne Avansa demonstrē jaunu elektronisku ādu (vai vienkārši e-skin), kurai ir daudz īpašību, tostarp kaļamība, pašatveseļošanās un pilnīga pārstrādājamība salīdzinājumā ar cilvēka āda1.Āda, mūsu lielākais orgāns, ir gaļīgs apvalks, skatoties no ārpuses. Mūsu āda ir ļoti daudzpusīgs orgāns, kas darbojas kā ūdensnecaurlaidīgs, izolējošs vairogs un pasargā mūsu ķermeni no dažādiem ārējiem apdraudējumiem vai faktoriem, piemēram, kaitīgas saules. Dažas no ādas funkcijām ir ķermeņa temperatūras regulēšana, ķermeņa aizsardzība no toksisko vielu uzņemšanas un arī toksisko vielu izvadīšanas (kopā ar sviedriem), mehāniskais un imunoloģiskais atbalsts un svarīgākā ražošana. D vitamīns kas ir ļoti svarīgi mūsu kauliem. Āda ir arī milzīgs sensors ar pietiekami daudz nervu, lai nekavējoties sazinātos ar smadzenēm.
Pētnieki visā pasaulē ir strādājuši pie dažādu veidu un izmēru "valkāšanai". e-ādas' ar mērķi mēģināt atdarināt bioloģisks āda un tās dažādās funkcijas. Pastāv liela vajadzība pēc elastīgām un izstiepjamām ierīcēm netraucētai integrācijai ar mīkstu un izliektu cilvēka ādu. Nanomēroga (10-9m) materiāli var nodrošināt nepieciešamo mehānisko un elektrisko daudzpusību, aizstājot cieto silīciju, kas parasti tika izmantots iepriekš. Dr. Jianliang Xiao vadītā komanda Kolorādo Universitātē Boulderā, ASV, ir veiksmīgi izstrādājusi mākslīgo elektronisko ādu (e-skin), kuras mērķis ir pārveidot cilvēka ādas sensoro pieskārienu robotos un protezēs. Šis mēģinājums ir vērsts uz to, lai nākotnē būtu “valkājama” tehnoloģija, kurai būtu milzīgs potenciāls un vērtība medicīnas, zinātnes un inženierzinātņu jomās.
E-āda: pašdziedinoša un pārstrādājama
E-skin ir plāns, caurspīdīgs materiāls ar a romāns kovalenti savienots dinamisks polimēru tīkls, ko sauc par poliimīnu, kas ir savienots ar sudraba nanodaļiņām, lai uzlabotu mehānisko izturību, ķīmisko stabilitāti un elektrisko vadītspēju. Šajā e-ādā ir arī iebūvēti sensori spiediena, temperatūras, mitruma un gaisa plūsmas mērīšanai. Šī e-āda tiek uzskatīta par ievērojamu, jo tajā ir iekļautas daudzas iezīmes, kas padara to ārkārtīgi tuvu cilvēka ādas imitācijai. Tas ir ļoti kaļams, un to var viegli uzstādīt uz izliektām virsmām (piemēram, cilvēka rokām un kājām, robotu rokām), pieliekot tai mērenu siltumu un spiedienu, neradot pārmērīgu slodzi. Tam ir pārsteidzošas pašatjaunošanās īpašības, kur pēc jebkāda griezuma vai ārēju apstākļu izraisīta bojājuma e-āda atjauno ķīmiskās saites starp abām atdalītajām pusēm, atjaunojot matricas pareizu funkcionalitāti un atgriežoties sākotnējā savienojuma stāvoklī.
Ja šī e-āda kādu apstākļu dēļ kļūst nelietojama, to var pilnībā pārstrādāt un pārvērst par pilnīgi jaunu e-ādu, ievietojot to otrreizējās pārstrādes šķīdumā, kas “sašķidrinās” esošo e-ādu un pārvērš to par “ jaunums” e-āda. Šis pārstrādes šķīdums – trīs komerciāli pieejamu ķīmisko savienojumu maisījums etanolā – noārda polimērus un sudraba nanodaļiņas nogrimst šķīduma apakšā. Šos degradētos polimērus var izmantot no jauna, lai izveidotu jaunu funkcionālu e-ādu. Šī pašatveseļošanās un pārstrādājamība, kas ir sasniedzama istabas temperatūrā, ir saistīta ar izmantotā polimēra ķīmisko saiti. Poliimīna polimēru tīkla priekšrocība ir tā, ka tas ir atgriezenisks, to var salauzt un pārstrādāt atšķirībā no vairuma tradicionālo termostatu materiālu, kurus nevar ne pārveidot, ne pārstrādāt vai pārstrādāt, jo to šķērssaistītajos polimēru tīklos ir neatgriezeniskas saites. Tas ir izturīgāks par pašu cilvēka ādu, un to varētu izmantot kā tās uzlabojumu, nevis aizstājēju. Tas ir arī patīkami pieskarties un šķiet gandrīz kā īsta āda, kas, iespējams, nākotnē varētu kļūt par pārklājošu līdzekli, piemēram, elektroniskām ierīcēm.
Videi draudzīgās un zemās izmaksas e-ādas īpašības ir atzinīgi novērtētas, un šāda e-āda varētu ievērojami samazināt elektroniskos atkritumus un ietekmi uz vidi, un tā varētu būt ļoti lietojama un populāra dažādu jomu ražotāju vidū. Lai gan šobrīd tas var šķist neparasti, šo atkārtotas izmantošanas tehnoloģiju varētu līdzīgi izmantot arī veciem elektronikas priekšmetiem. Faktiski mūsdienu fitnesa izsekotāji un veselības monitori, kad tie ir bojāti, palielina e-atkritumu kalnus, kas sarežģī ar vidi saistītas problēmas. E-ādu var nēsāt ap kaklu vai plaukstas locītavām, un tās var būt kā elastīgas valkājamas preces vai pagaidu tetovējumi, un ikreiz, kad tie tiek bojāti, tos var pārstrādāt un izmantot atkārtoti. Tā kā e-āda ir elastīga, to var saliekt un savīt, un to var pielāgot atbilstoši lietotājam. Tehnoloģija paver ceļus viedajiem robotika kurā ap robota ķermeni vai mākslīgo ekstremitāšu var apvīt tik patīkami jūtamu un komfortablu elektronisku ādu. Sīkāk, protēzēta roka vai kāja, kas ir ietīta šajā elektroniskajā ādā, var ļaut lietotājam reaģēt uz temperatūras un spiediena izmaiņām, jo tajā ir iekļauti vairāki sensori. Robotikas rokas vai kājas, kas aprīkotas ar šādu e-ādu, var likt robotiem izturēties smalkāk pret cilvēkiem un būt drošākiem un uzticamākiem. Piemēram, e-skin var būt īpaši aprīkots ar robotu, kas apstrādā mazuli vai trauslu vecāka gadagājuma cilvēku, un tādējādi robots nepieliek pārāk lielu spēku. Cits e-ādas pielietojums var būt potenciāli bīstamā vidē vai augsta riska darbos. Ir ticams, ka šo tehnoloģiju varētu izmantot ar virtuālajām pogām, vadības ierīcēm vai durvīm, kas ļautu veikt jebkādu darbību bez cilvēka fiziskas mijiedarbības, piemēram, sprāgstvielu rūpniecībā vai citās bīstamās darba jomās, un tādējādi šī e-āda varētu samazināt izredzes par jebkādiem cilvēka ievainojumiem.
Displeja pievienošana e-ādai
Tokijas universitātes pētnieku komanda nesen pievienoja displeju2(mikro-LED) līdz īpaši plāniem, lentveida atbalsta stila e-ādas ielāpiem, lai reāllaikā parādītu dažādas veselības uzraudzības pazīmes (piemēram, glikozes līmeņa mērīšana cilvēkiem ar cukura diabētu vai sirds elektrokardiogrammas kustīgo viļņu formu pacients). Šiem ielāpiem ir stiepjams vads, un tādējādi tie var saliekties vai izstiepties līdz pat 45 procentiem atkarībā no lietotāja kustības. Tiek uzskatīts, ka tiem ir pēdējā laikā elastīgākais un izturīgākais dizains. Nepārtraukta cilvēka ādas šūnu izkrišana var nozīmēt, ka plāksteris var nokrist pēc dažām dienām, taču to var novērst.
Šajā pētījumā, ko vadīja profesors Takao Someya, teikts, ka šādu displeju galu galā var izmantot, lai nodrošinātu netraucētu un vienkāršu medicīniskas informācijas lasīšanu un paziņošanu ne tikai pacientiem, bet arī ģimenes locekļiem, aprūpētājiem un veselības aprūpes speciālistiem personīgi vai pat. attālināti. Tā saņemtu arī ziņas. Pētnieku mērķis ir vēl vairāk uzlabot plākstera uzticamību, padarīt to rentablāku un arī palielināt tā ražošanu, lai tas būtu plašāks visā pasaulē. Viņu mērķis ir šo ierīci laist tirgū līdz 2020. gada beigām.
izaicinājumi
E-ādas izstrāde ir ļoti aizraujošs jauns pētījums, tomēr viena no mūsu pamatīpašībām – elastība un stiepšanās spēja – e-ādai vēl nav sekmīgi sasniegta. E-āda ir mīksta, bet ne tik staipīga kā cilvēka āda. Pēc autoru domām, pašreizējais materiāls arī nav īpaši viegli reproducējams. Tika novērots neliels vispārējās sensora veiktspējas samazinājums atjaunotā/pārstrādātā e-skin ierīcē, salīdzinot ar jaunu moduli, un tas ir pilnībā jārisina, veicot turpmāku izpēti. Arī magnētiskie lauki, ko izmanto e-skins, ir diezgan augsti, un tie ir jāsamazina. Pašlaik ierīce tiek darbināta no ārēja avota, kas ir ļoti nepraktiski, taču tā vietā vajadzētu būt iespējai izmantot uzlādējamas, mazas baterijas, lai ierīci darbinātu. Dr.Xiao un viņa komanda vēlas pilnveidot šo produktu un uzlabot mērogošanas risinājumu, lai varētu pārvarēt vismaz ekonomiskos šķēršļus un šo e-ādiņu būtu vieglāk ražot un novietot uz robotiem vai protēzēm, medicīnas ierīcēm vai jebko citu.
***
{Jūs varat izlasīt oriģinālo pētījumu, noklikšķinot uz DOI saites, kas norādīta tālāk citēto avotu sarakstā}
Avots (-i)
1. Zou Z et al. 2018. gads. Atjaunojama, pilnībā pārstrādājama un kaļama elektroniskā apvalka, ko nodrošina dinamisks kovalents termoreaktīvs nanokompozīts. Zinātne Avansa. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508
2. Someya T. 2018. Nepārtraukta veselības uzraudzība ar īpaši elastīgiem ādas sensoriem. AAAS ikgadējās sanāksmes simpozijs, Ostina, Teksasa, 17. gada 2018. februāris.
