Oppdagelsen av en ny type formbar, selvhelbredende og fullstendig resirkulerbar "elektronisk hud" har omfattende bruksområder innen helseovervåking, robotikk, proteser og forbedret biomedisinsk utstyr.
En studie publisert i Vitenskap Fremskritt viser frem en ny elektronisk hud (eller ganske enkelt e-skin) som har en rekke egenskaper, inkludert formbarhet, selvhelbredende og full resirkulerbarhet sammenlignet med mennesker hud1.Huden, vårt største organ, er det kjøttfulle dekket sett utenfra. Huden vår er et svært allsidig organ som fungerer som et vanntett, isolerende skjold og beskytter kroppen mot en rekke ytre farer eller faktorer, f.eks. skadelig sol. Noen av funksjonene til huden er regulering av kroppstemperatur, beskyttelse av kroppen mot inntak av giftige stoffer og også utskillelse av giftige stoffer (sammen med svette), mekanisk og immunologisk støtte og produksjon av de avgjørende vitamin D som er veldig viktig for beinene våre. Huden er også en enorm sensor med rikelig med nerver til å umiddelbart kommunisere med hjernen.
Forskere over hele verden har jobbet med å utvikle forskjellige typer og størrelser av "wearable". e-skins' med målet om å prøve å etterligne biologisk huden og dens ulike funksjoner. Det er et sterkt behov for fleksible og strekkbare enheter for sømløs integrering med myk og krumlinjet menneskehud. Nanoskala (10-9m) materialer kan gi den nødvendige mekaniske og elektriske allsidigheten som erstatter det stive silisiumet som vanligvis har vært brukt før. Teamet ledet av Dr. Jianliang Xiao ved University of Colorado, Boulder, USA har med suksess utviklet en kunstig elektronisk hud (e-skin) med mål om å oversette sensorisk berøring av menneskelig hud til roboter og proteser. Dette forsøket er i retning av å ha en "bærbar" teknologi i fremtiden som vil ha et enormt potensial og verdi innen medisinske, vitenskapelige og tekniske felt.
E-skin: selvhelbredende og resirkulerbar
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.
Hvis denne e-skin blir ubrukelig på grunn av noen omstendighet, kan den resirkuleres fullstendig og gjøres om til en helt ny e-skin ved å plassere den i en resirkuleringsløsning som "flyter" det eksisterende e-skin-materialet og gjør det til en " ny” e-skin. Denne resirkuleringsløsningen – en blanding av tre kommersielt tilgjengelige kjemiske forbindelser i etanol – bryter ned polymerer og sølvnanopartikler synker i bunnen av løsningen. Disse nedbrutte polymerene kan brukes på nytt for å lage ny funksjonell e-skin. Denne selvhelbredende og resirkulerbare som er oppnåelig ved romtemperatur tilskrives den kjemiske bindingen til polymeren som brukes. Fordelen med polymert nettverk av polyimin er at det er reversibelt og kan brytes og resirkuleres i motsetning til de fleste konvensjonelle termostatmaterialer som verken kan omformes eller bearbeides eller resirkuleres på grunn av de irreversible bindingene i deres tverrbundne polymere nettverk. Dette er mer robust enn menneskelig hud i seg selv, og det kan brukes som en forbedring av det i stedet for som erstatning. Det er også behagelig å ta på og føles nesten som ekte hud som muligens kan gjøre det som et dekkemiddel i fremtiden, for eksempel elektroniske enheter.
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 robotikk 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.
Legger til skjerm til e-skin
Et team av forskere ved University of Tokyo har nylig lagt til en skjerm2(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 pasient). 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.
Denne studien, ledet av professor Takao Someya, uttaler at en slik skjerm til slutt kan brukes til å gjøre det mulig å lese og kommunisere medisinsk informasjon på en sømløs og enkel måte, ikke bare for pasienter, men også for familiemedlemmer, omsorgspersoner og helsepersonell enten personlig eller til og med. eksternt. Den vil også motta meldinger. Forskerne tar sikte på å ytterligere forbedre påliteligheten til lappen, gjøre den mer kostnadseffektiv og også øke produksjonen for en bredere rekkevidde rundt om i verden. Målet deres er å lansere denne enheten på markedet innen utgangen av 2020.
Utfordringene fremover
Utviklingen av e-skin er en veldig spennende ny forskning, men en av de grunnleggende egenskapene til vår – fleksibilitet og strekkevne – er ennå ikke oppnådd med e-skin. E-huden er myk, men ikke like tøyelig som menneskehud. I følge forfatterne er materialet slik det står, heller ikke så lett å reprodusere. En liten reduksjon i den generelle sensorytelsen i en gjenopprettet/resirkulert e-skin-enhet ble sett sammenlignet med en ny modul, dette må løses fullt ut med videre forskning. De magnetiske feltene som brukes av e-skins er også ganske høye og må skaleres ned. Foreløpig får enheten strøm fra en ekstern kilde, noe som er veldig upraktisk, men det burde være mulig å ha oppladbare, små batterier for å drive enheten i stedet. Dr.Xiao og teamet hans ønsker å foredle dette produktet og forbedre skaleringsløsningen slik at i det minste de økonomiske hindringene kan overgås og denne e-skinen skal være enklere å produsere og plassere på roboter eller proteser eller medisinsk utstyr eller noe annet.
***
{Du kan lese den originale forskningsoppgaven ved å klikke på DOI-lenken nedenfor i listen over siterte kilder}
Source (s)
1. Zou Z et al. 2018. Gjenopprettbar, fullt resirkulerbar og formbar elektronisk hud aktivert av dynamisk kovalent herdeplast nanokompositt. Vitenskap Fremskritt. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508
2. Someya T. 2018. Kontinuerlig helseovervåking med ultrafleksible sensorer på huden. AAAS Annual Meeting Symposium, Austin, Texas, 17. februar 2018.
