Naujo tipo kaliosios, savaime gyjančios ir visiškai perdirbamos „elektroninės odos“ atradimas plačiai pritaikomas sveikatos stebėjimo, robotikos, protezavimo ir patobulintų biomedicinos prietaisų srityse.
2007 m. Paskelbtas tyrimas Mokslas Avansu demonstruoja naują elektroninę odą (arba tiesiog e-skin), kuri turi daugybę savybių, įskaitant lankstumą, savaiminį gijimą ir visišką perdirbamumą, palyginti su žmogaus oda1.Oda, didžiausias mūsų organas, yra mėsinga danga, žiūrint iš išorės. Mūsų oda yra labai universalus organas, kuris veikia kaip vandeniui atsparus, izoliuojantis skydas ir saugo mūsų kūną nuo įvairių išorinių pavojų ar veiksnių, pvz., žalingos saulės. Kai kurios odos funkcijos yra kūno temperatūros reguliavimas, kūno apsauga nuo toksinių medžiagų patekimo, taip pat toksinių medžiagų (kartu su prakaitu) pašalinimas, mechaninė ir imunologinė parama bei svarbiausių medžiagų gamyba. vitamino D kuris labai svarbus mūsų kaulams. Oda taip pat yra didžiulis jutiklis, turintis daug nervų, leidžiantis akimirksniu susisiekti su smegenimis.
Tyrėjai visame pasaulyje kūrė įvairių tipų ir dydžių nešiojamus drabužius e-skinai“ su tikslu pamėgdžioti biologinis oda ir įvairios jos funkcijos. Labai reikia lanksčių ir tamprių prietaisų, kad būtų galima sklandžiai integruotis su minkšta ir vingiuota žmogaus oda. Nano skalė (10-9m) medžiagos gali užtikrinti reikiamą mechaninį ir elektrinį universalumą, pakeisdamos standųjį silicį, kuris paprastai buvo naudojamas anksčiau. Dr. Jianliang Xiao vadovaujama komanda iš Kolorado universiteto Boulderyje (JAV) sėkmingai sukūrė dirbtinę elektroninę odą (e-skin), kurios tikslas – jutiminį žmogaus odos prisilietimą paversti robotais ir protezais. Šiuo bandymu siekiama ateityje turėti „dėvimą“ technologiją, kuri turėtų didžiulį potencialą ir vertę medicinos, mokslo ir inžinerijos srityse.
E-skin: savaime gyja ir perdirbama
E-skin is a thin, translucent material having a romanas 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.
Jei dėl kokių nors aplinkybių ši elektroninė oda tampa netinkama naudoti, ją galima visiškai perdirbti ir paversti visiškai nauja e-skin, sudėjus ją į perdirbimo tirpalą, kuris „suskystina“ esamą e-skin medžiagą ir paverčia ją „ nauja“ e-skin. Šis perdirbimo tirpalas – trijų komerciškai prieinamų cheminių junginių mišinys etanolyje – skaido polimerus, o sidabro nanodalelės nuskendo tirpalo apačioje. Šie suskaidyti polimerai gali būti naudojami iš naujo kuriant naują funkcinę e-odą. Šis savaiminio gijimas ir perdirbamumas, pasiekiamas kambario temperatūroje, yra susijęs su naudojamo polimero cheminiu sukibimu. Polimerinio poliimino tinklo pranašumas yra tas, kad jis yra grįžtamasis, jį galima sulaužyti ir perdirbti, skirtingai nuo daugelio įprastų termostatinių medžiagų, kurių negalima nei pertvarkyti, nei perdirbti ar perdirbti dėl negrįžtamų ryšių jų kryžminiuose polimeriniuose tinkluose. Tai tvirtesnė už pačią žmogaus odą ir gali būti naudojama kaip jos patobulinimas, o ne pakaitalas. Jį taip pat malonu liesti ir jaučiasi beveik kaip tikra oda, kuri ateityje gali būti naudojama kaip dengimo priemonė, pavyzdžiui, elektroniniuose įrenginiuose.
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 robotų 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.
Ekrano pridėjimas prie e-skin
Tokijo universiteto mokslininkų komanda neseniai pridėjo ekraną2(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 pacientas). 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.
Šiame tyrime, kuriam vadovavo profesorius Takao Someya, teigiama, kad toks ekranas galiausiai gali būti naudojamas siekiant sklandžiai ir lengvai skaityti ir perduoti medicininę informaciją ne tik pacientams, bet ir šeimos nariams, slaugytojams ir sveikatos priežiūros specialistams asmeniškai ar net nuotoliniu būdu. Taip pat gautų žinutes. Tyrėjai siekia dar labiau pagerinti pleistro patikimumą, padaryti jį ekonomiškesnį ir taip pat padidinti jo gamybą, kad jis būtų platesnis visame pasaulyje. Jų tikslas – šį įrenginį pateikti rinkoje iki 2020 m. pabaigos.
Ateities iššūkiai
E-odos kūrimas yra labai įdomus naujas tyrimas, tačiau viena iš pagrindinių mūsų savybių – lankstumo ir tempimo galimybių – e-skin dar turi būti sėkmingai pasiekta. E-oda yra minkšta, bet ne tokia elastinga kaip žmogaus oda. Pasak autorių, tokia medžiaga taip pat nėra labai lengvai atkuriama. Pastebėtas nedidelis bendro jutimo našumo sumažėjimas išgydytame / perdirbtame e-skin įrenginyje, palyginti su nauju moduliu, todėl tai turi būti visiškai išspręsta atliekant tolesnius tyrimus. E-skinų naudojami magnetiniai laukai taip pat yra gana dideli, todėl juos reikia sumažinti. Šiuo metu prietaisas maitinamas iš išorinio šaltinio, o tai labai nepraktiška, tačiau vietoj to turėtų būti galima turėti įkraunamas mažas baterijas, kurios maitintų įrenginį. Dr.Xiao ir jo komanda nori patobulinti šį produktą ir patobulinti mastelio keitimo sprendimą, kad būtų galima įveikti bent ekonomines kliūtis, o šią el. odą būtų lengviau gaminti ir uždėti ant robotų ar protezų, medicinos prietaisų ar dar ko nors.
***
{Galite perskaityti pradinį tyrimo dokumentą spustelėję toliau pateiktą DOI nuorodą cituojamų šaltinių sąraše}
Šaltiniai)
1. Zou Z ir kt. 2018 m. Pagydoma, visiškai perdirbama ir kalioji elektroninė oda, kurią įgalina dinaminis kovalentinis termoreaktingas nanokompozitas. Mokslas Avansu. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508
2. Someya T. 2018. Nuolatinis sveikatos stebėjimas su itin lanksčiais ant odos esančiais jutikliais. AAAS metinio susirinkimo simpoziumas, Ostinas, Teksasas, 17 m. vasario 2018 d.
