Η ανακάλυψη ενός νέου τύπου εύπλαστου, αυτοθεραπευόμενου και πλήρως ανακυκλώσιμου «ηλεκτρονικού δέρματος» έχει ευρείες εφαρμογές στην παρακολούθηση της υγείας, τη ρομποτική, την προσθετική και βελτιωμένες βιοϊατρικές συσκευές.
Μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Προκαταβολές Επιστήμη παρουσιάζει ένα νέο ηλεκτρονικό δέρμα (ή απλά e-skin) που έχει πληθώρα ιδιοτήτων, όπως ελαττότητα, αυτοθεραπεία και πλήρη ανακύκλωση σε σύγκριση με το ανθρώπινο δέρμα1.Το δέρμα, το μεγαλύτερο όργανό μας, είναι το σαρκώδες κάλυμμα όταν το βλέπουμε από έξω. Το δέρμα μας είναι ένα εξαιρετικά ευέλικτο όργανο που λειτουργεί ως αδιάβροχη, μονωτική ασπίδα και προστατεύει το σώμα μας από διάφορους εξωτερικούς κινδύνους ή παράγοντες, π.χ. βλαβερούς ήλιους. Μερικές από τις λειτουργίες του δέρματος είναι η ρύθμιση της θερμοκρασίας του σώματος, η προστασία του οργανισμού από την πρόσληψη τοξικών ουσιών και επίσης η απέκκριση τοξικών ουσιών (μαζί με τον ιδρώτα), η μηχανική και ανοσολογική υποστήριξη και η παραγωγή των κρίσιμων βιταμίνης D που είναι πολύ σημαντικό για τα οστά μας. Το δέρμα είναι επίσης ένας τεράστιος αισθητήρας με άφθονα νεύρα για άμεση επικοινωνία με τον εγκέφαλο.
Ερευνητές σε όλο τον κόσμο εργάζονται για την ανάπτυξη διαφορετικών τύπων και μεγεθών «wearable». e-skinsμε στόχο να προσπαθήσει να μιμηθεί βιολογικός δέρμα και τις διάφορες λειτουργίες του. Υπάρχει έντονη ανάγκη για εύκαμπτες και ελαστικές συσκευές για απρόσκοπτη ενσωμάτωση με απαλό και καμπυλόγραμμο ανθρώπινο δέρμα. Νανοκλίμακα (10-9m) τα υλικά μπορούν να παρέχουν την απαιτούμενη μηχανική και ηλεκτρική ευελιξία αντικαθιστώντας το άκαμπτο πυρίτιο που συνήθως είχε χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν. Η ομάδα με επικεφαλής τον Δρ. Jianliang Xiao στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, Boulder, ΗΠΑ ανέπτυξε με επιτυχία ένα τεχνητό ηλεκτρονικό δέρμα (e-skin) με στόχο τη μετάφραση της αισθητικής αφής του ανθρώπινου δέρματος σε ρομπότ και προσθετικά. Αυτή η προσπάθεια είναι προς την κατεύθυνση της ύπαρξης μιας «φορετής» τεχνολογίας στο μέλλον που θα έχει τεράστιες δυνατότητες και αξία σε ιατρικούς, επιστημονικούς και μηχανικούς τομείς.
E-skin: αυτοθεραπευόμενο και ανακυκλώσιμο
Το e-skin είναι ένα λεπτό, ημιδιαφανές υλικό που έχει α μυθιστόρημα τύπος ομοιοπολικά συνδεδεμένου δυναμικού πολυμερούς δικτύου, που ονομάζεται πολυιμίνη, το οποίο είναι δεμένο με νανοσωματίδια αργύρου για βελτιωμένη μηχανική αντοχή, χημική σταθερότητα και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Αυτό το e-skin έχει επίσης ενσωματωμένους αισθητήρες για τη μέτρηση της πίεσης, της θερμοκρασίας, της υγρασίας και της ροής του αέρα. Αυτό το e-skin θεωρείται αξιοσημείωτο επειδή έχει ενσωματωθεί με πολλά χαρακτηριστικά που το καθιστούν εξαιρετικά πιο κοντινό μιμητικό του ανθρώπινου δέρματος. Είναι εξαιρετικά εύπλαστο και μπορεί εύκολα να τοποθετηθεί σε καμπύλες επιφάνειες (π.χ. ανθρώπινα χέρια και πόδια, ρομποτικά χέρια) ασκώντας μέτρια θερμότητα και πίεση σε αυτό χωρίς να προκαλεί υπερβολικές καταπονήσεις. Έχει εκπληκτικές αυτοθεραπευτικές ιδιότητες όπου σε κάθε κοπή ή ζημιά που προκαλείται από εξωτερική περίσταση, το e-skin αναδημιουργεί τους χημικούς δεσμούς μεταξύ των δύο διαχωρισμένων πλευρών αποκαθιστώντας τη μήτρα για τη σωστή λειτουργία της και επιστρέφοντας στην αρχική της δεσμευμένη κατάσταση.
Εάν αυτό το e-skin καταστεί άχρηστο λόγω οποιασδήποτε συνθήκης, μπορεί να ανακυκλωθεί πλήρως και να μετατραπεί σε ένα ολοκαίνουργιο e-skin τοποθετώντας το σε ένα διάλυμα ανακύκλωσης που "ρευστοποιεί" το υπάρχον υλικό e-skin και το μετατρέπει σε " νέο” e-skin. Αυτό το διάλυμα ανακύκλωσης – ένα μείγμα τριών εμπορικά διαθέσιμων χημικών ενώσεων σε αιθανόλη – αποικοδομεί τα πολυμερή και τα νανοσωματίδια αργύρου βυθίζονται στο κάτω μέρος του διαλύματος. Αυτά τα αποικοδομημένα πολυμερή μπορούν να χρησιμοποιηθούν εκ νέου για τη δημιουργία νέων λειτουργικών e-skin. Αυτή η αυτοίαση και δυνατότητα ανακύκλωσης που επιτυγχάνεται σε θερμοκρασία δωματίου αποδίδεται στη χημική σύνδεση του πολυμερούς που χρησιμοποιείται. Το πλεονέκτημα του πολυμερικού δικτύου πολυιμίνης είναι ότι είναι αναστρέψιμο και μπορεί να σπάσει και να ανακυκλωθεί σε αντίθεση με τα περισσότερα συμβατικά υλικά θερμοστάτη που δεν μπορούν ούτε να ανασχηματιστούν ούτε να υποστούν επεξεργασία ή να ανακυκλωθούν λόγω των μη αναστρέψιμων δεσμών μέσα στα διασυνδεδεμένα πολυμερικά δίκτυά τους. Αυτό είναι πιο στιβαρό από το ίδιο το ανθρώπινο δέρμα και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως βελτιωτικό αντί για αντικατάσταση. Είναι επίσης ευχάριστο στην αφή και έχει σχεδόν σαν πραγματικό δέρμα που θα μπορούσε ενδεχομένως να το κάνει ως καλυπτικό μέσο στο μέλλον, για παράδειγμα ηλεκτρονικές συσκευές.
Οι οικολογικές και χαμηλού κόστους ιδιότητες του e-skin έχουν χαιρετιστεί και αυτό το e-skin θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά τα ηλεκτρονικά απόβλητα και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις και θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα εύχρηστο και δημοφιλές στους κατασκευαστές σε διαφορετικούς τομείς. Αν και μπορεί να ακούγεται υπερβολικό αυτή τη στιγμή, αυτή η τεχνολογία επαναχρησιμοποίησης θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί παρόμοια και σε παλιά ηλεκτρονικά είδη. Στην πραγματικότητα, οι σύγχρονοι ιχνηλάτες γυμναστικής και οι οθόνες υγείας που κάποτε είχαν υποστεί ζημιά προσθέτουν στο αυξανόμενο βουνό των προβλημάτων που σχετίζονται με τη σύνθεση ηλεκτρονικών αποβλήτων. Το e-skin θα μπορούσε να φορεθεί γύρω από το λαιμό ή στους καρπούς μας και αυτά θα μπορούσαν να είναι σαν εύκαμπτα wearable ή προσωρινά τατουάζ και όποτε καταστραφούν μπορούν να ανακυκλωθούν και να επαναχρησιμοποιηθούν. Δεδομένου ότι το e-skin είναι εύκαμπτο, μπορεί να λυγίσει και να στρίψει και μπορεί να προσαρμοστεί ανάλογα με τον χρήστη. Η τεχνολογία ανοίγει δρόμους για ευφυείς ρομποτική στο οποίο ένα τόσο ευχάριστο στην αίσθηση και άνετο ηλεκτρονικό δέρμα μπορεί να τυλιχτεί γύρω από το σώμα ενός ρομπότ ή ενός τεχνητού μέλους. Πιο αναλυτικά, ένα προσθετικό χέρι ή πόδι που είναι τυλιγμένο σε αυτό το ηλεκτρονικό δέρμα μπορεί να επιτρέψει στον χρήστη να ανταποκριθεί στις αλλαγές θερμοκρασίας και πίεσης λόγω των πολλαπλών αισθητήρων που είναι ενσωματωμένοι σε αυτό. Τα ρομποτικά χέρια ή πόδια που διαθέτουν τέτοιο ηλεκτρονικό δέρμα μπορούν να κάνουν τα ρομπότ να ενεργούν πιο ευαίσθητα προς τους ανθρώπους και να είναι πιο ασφαλή και αξιόπιστα. Για παράδειγμα, το e-skin θα μπορούσε να τοποθετηθεί ειδικά σε ένα ρομπότ που χειρίζεται ένα μωρό ή έναν εύθραυστο ηλικιωμένο και έτσι το ρομπότ δεν θα ασκεί υπερβολική δύναμη. Μια άλλη εφαρμογή του e-skin μπορεί να είναι δυνητικά σε επικίνδυνα περιβάλλοντα ή εργασίες υψηλού κινδύνου. Είναι εύλογο ότι αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί με εικονικά κουμπιά, χειριστήρια ή πόρτες που θα επέτρεπαν οποιαδήποτε λειτουργία χωρίς ανθρώπινη φυσική αλληλεπίδραση, για παράδειγμα στη βιομηχανία εκρηκτικών ή άλλες επικίνδυνες γραμμές εργασίας, και έτσι αυτό το e-skin ίσως μπορεί να μειώσει τις πιθανότητες για οποιοδήποτε ανθρώπινο τραυματισμό.
Προσθήκη οθόνης στο e-skin
Μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο πρόσθεσε πρόσφατα μια οθόνη2(micro-LED) έως εξαιρετικά λεπτά επιθέματα e-skin τύπου band aid για να επιτρέπουν την εμφάνιση διαφορετικών ενδείξεων παρακολούθησης της υγείας σε πραγματικό χρόνο (π.χ. μέτρηση επιπέδων γλυκόζης σε άτομα με διαβήτη ή κινούμενη κυματομορφή ενός ηλεκτροκαρδιογραφήματος καρδιάς ασθενής). Αυτά τα μπαλώματα έχουν τεντώσιμη καλωδίωση και έτσι μπορούν να λυγίσουν ή να τεντωθούν έως και 45 τοις εκατό με βάση την κίνηση του χρήστη. Αυτά θεωρούνται ότι έχουν τον πιο ευέλικτο και ανθεκτικό σχεδιασμό τον τελευταίο καιρό. Η συνεχής αποβολή των κυττάρων του ανθρώπινου δέρματος θα μπορούσε να σημαίνει ότι το έμπλαστρο μπορεί να πέσει μετά από μερικές ημέρες, αλλά αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί.
Αυτή η μελέτη, με επικεφαλής τον καθηγητή Takao Someya, δηλώνει ότι μια τέτοια οθόνη μπορεί τελικά να χρησιμοποιηθεί για να επιτρέψει την ανάγνωση και την επικοινωνία ιατρικών πληροφοριών με απρόσκοπτη και εύκολη τρόπο όχι μόνο για ασθενείς αλλά και για μέλη της οικογένειας, φροντιστές και επαγγελματίες υγείας είτε αυτοπροσώπως είτε ακόμη. ελάχιστα. Θα λάμβανε και μηνύματα. Οι ερευνητές στοχεύουν να βελτιώσουν περαιτέρω την αξιοπιστία του έμπλαστρου, να το κάνουν πιο οικονομικά αποδοτικό και επίσης να αυξήσουν την παραγωγή του για ευρύτερη εμβέλεια σε όλο τον κόσμο. Στόχος τους είναι να κυκλοφορήσει αυτή η συσκευή στην αγορά μέχρι το τέλος του 2020.
Προκλήσεις μπροστά
Η ανάπτυξη του e-skin είναι μια πολύ συναρπαστική νέα έρευνα, ωστόσο, μία από τις θεμελιώδεις ιδιότητες του e-skin - η ευελιξία και η ικανότητα τεντώματος - δεν έχει ακόμη επιτευχθεί με επιτυχία από το e-skin. Το e-skin είναι απαλό αλλά όχι τόσο ελαστικό όσο το ανθρώπινο δέρμα. Σύμφωνα με τους συγγραφείς, ως έχει το υλικό δεν είναι επίσης πολύ εύκολα αναπαραγόμενο. Παρατηρήθηκε μια ελαφρά μείωση στη συνολική απόδοση ανίχνευσης σε μια συσκευή e-skin με επαναθεραπεία/ανακύκλωση σε σύγκριση με μια νέα μονάδα, κάτι που πρέπει να αντιμετωπιστεί πλήρως με περαιτέρω έρευνα. Τα μαγνητικά πεδία που χρησιμοποιούνται από τα e-skins είναι επίσης αρκετά υψηλά και πρέπει να μειωθούν. Επί του παρόντος, η συσκευή τροφοδοτείται από μια εξωτερική πηγή, η οποία είναι πολύ μη πρακτικό, αλλά θα πρέπει να είναι δυνατό να υπάρχουν επαναφορτιζόμενες, μικρές μπαταρίες για την τροφοδοσία της συσκευής. Ο Dr.Xiao και η ομάδα του θέλουν να βελτιώσουν αυτό το προϊόν και να βελτιώσουν τη λύση κλιμάκωσης, έτσι ώστε να μπορούν να ξεπεραστούν τουλάχιστον τα οικονομικά εμπόδια και αυτό το e-skin να είναι ευκολότερο να κατασκευαστεί και να τοποθετηθεί σε ρομπότ ή προσθετικά ή ιατρικές συσκευές ή οτιδήποτε άλλο.
***
{Μπορείτε να διαβάσετε την αρχική ερευνητική εργασία κάνοντας κλικ στον σύνδεσμο DOI που δίνεται παρακάτω στη λίστα των αναφερόμενων πηγών}
Πηγές)
1. Zou Z et al. 2018. Αναθεραπεύσιμο, πλήρως ανακυκλώσιμο και εύπλαστο ηλεκτρονικό δέρμα που ενεργοποιείται από δυναμικό ομοιοπολικό θερμοσκληρυνόμενο νανοσύνθετο. Προκαταβολές Επιστήμη. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508
2. Someya T. 2018. Continuous Health-Monitoring With UltraFlexible On-Skin Sensors. Ετήσιο Συμπόσιο Συνάντησης AAAS, Ώστιν, Τέξας, 17 Φεβρουαρίου 2018.
