'e-Skin' wat die biologiese vel en sy funksies naboots

Die ontdekking van 'n nuwe soort smeebare, selfgenesende en heeltemal herwinbare "elektroniese vel" het wye toepassings in gesondheidsmonitering, robotika, prostetika en verbeterde biomediese toestelle.

'N studie gepubliseer in Wetenskap Voorskotte vertoon 'n nuwe elektroniese vel (of bloot e-vel) wat 'n menigte eienskappe het, insluitend smeebaarheid, selfgenesing en volle herwinbaarheid in vergelyking met die mens vel¹.Die vel, ons grootste orgaan, is die vlesige bedekking wanneer dit van buite gesien word. Ons vel is 'n hoogs veelsydige orgaan wat as 'n waterdigte, isolerende skild dien en ons liggaam beskerm teen 'n verskeidenheid eksterne gevare of faktore, bv. sonskade. Sommige van die funksies van die vel is regulering van liggaamstemperatuur, beskerming van liggaam teen die inname van giftige stowwe en ook uitskeiding van giftige stowwe (saam met sweet), meganiese en immunologiese ondersteuning en produksie van die deurslaggewende vitamien D wat baie belangrik is vir ons bene. Vel is ook 'n groot sensor met genoeg senuwees om onmiddellik met die brein te kommunikeer.

Navorsers wêreldwyd het gewerk aan die ontwikkeling van verskillende tipes en groottes 'draagbare' e-velle' met die doel om te probeer naboots biologiese vel en sy verskillende funksies. Daar is 'n sterk behoefte aan buigsame en rekbare toestelle vir naatlose integrasie met sagte en kromlynige menslike vel. Nanoskaal (10^-9m) materiale kan die vereiste meganiese en elektriese veelsydigheid verskaf wat die rigiede silikon vervang wat gewoonlik voorheen gebruik is. Die span gelei deur Dr. Jianliang Xiao aan die Universiteit van Colorado, Boulder, VSA, het suksesvol 'n kunsmatige elektroniese vel (e-vel) ontwikkel met die doel om sensoriese aanraking van die menslike vel op robotte en prostetika te vertaal. Hierdie poging is in die rigting om 'n "drabare" tegnologie in die toekoms te hê wat groot potensiaal en waarde in mediese, wetenskaplike en ingenieursvelde sal hê.

E-vel: selfgenesend en herwinbaar

E-vel is 'n dun, deurskynende materiaal met 'n roman tipe kovalent-gebonde dinamiese polimeernetwerk, genaamd poliimien, wat met silwer nanopartikels gevul is vir verbeterde meganiese sterkte, chemiese stabiliteit en elektriese geleidingsvermoë. Hierdie e-vel het ook sensors ingebou om druk, temperatuur, humiditeit en lugvloei te meet. Hierdie e-vel word as merkwaardig beskou omdat dit met baie kenmerke ingewerk is wat dit 'n uiters nader nabootsing van die menslike vel maak. Dit is hoogs smeebaar en kan maklik op geboë oppervlaktes (bv. menslike arms en bene, robothande) geplaas word deur matige hitte en druk daarop toe te pas sonder om oormatige spanning in te voer. Dit het ongelooflike selfgenesende eienskappe waarin die e-vel by enige sny of skade wat deur 'n eksterne omstandigheid veroorsaak word, die chemiese bindings tussen die twee geskeide kante herskep wat die matriks herstel vir sy behoorlike funksionaliteit en terugkeer na sy oorspronklike gebonde toestand.

As hierdie e-vel weens enige omstandighede onbruikbaar word, kan dit heeltemal herwin word en in 'n splinternuwe e-vel omskep word deur dit in 'n herwinningsoplossing te plaas wat die bestaande e-velmateriaal "vloeibaar maak" en dit in 'n " nuwe” e-skin. Hierdie herwinningsoplossing – 'n mengsel van drie kommersieel beskikbare chemiese verbindings in etanol – breek polimere af en silwer nanopartikels sink aan die onderkant van die oplossing. Hierdie afgebreekte polimere kan opnuut gebruik word om nuwe funksionele e-vel te maak. Hierdie selfgenesing en herwinbaarheid wat by kamertemperatuur bereikbaar is, word toegeskryf aan die chemiese binding van die polimeer wat gebruik word. Die voordeel van polimeriese netwerk van poliimien is dat dit omkeerbaar is en gebreek en herwin kan word, anders as die meeste konvensionele termostaatmateriale wat nie hervorm of herverwerk of herwin kan word nie as gevolg van die onomkeerbare bindings binne hul kruisgekoppelde polimeriese netwerke. Dit is meer robuust as menslike vel self en dit kan as 'n verbetering daarvoor gebruik word eerder as vervanging. Dit is ook aangenaam om aan te raak en voel amper soos 'n regte vel wat dit moontlik in die toekoms as 'n dekmiddel kan maak, byvoorbeeld elektroniese toestelle.

Ekovriendelike en laekoste-eienskappe van e-vel is geprys en sulke e-vel kan elektroniese afval en omgewingsimpak aansienlik verminder en kan hoogs bruikbaar en gewild wees onder vervaardigers oor verskillende velde. Alhoewel dit op die oomblik vergesog mag klink, kan hierdie hergebruiktegnologie ook op soortgelyke wyse op ou elektroniese items toegepas word. Trouens, hedendaagse fiksheidspoorsnyers en gesondheidsmonitors wat een keer beskadig is, dra by tot die groeiende berg van e-afval saamgestelde omgewingsverwante probleme. Die e-vel kan om ons nekke of op ons polse gedra word en dit kan soos buigsame draagbare items of tydelike tatoeëermerke wees en wanneer dit ook al beskadig word, kan dit herwin en hergebruik word. Aangesien e-vel buigsaam is, kan dit gebuig en gedraai word en kan volgens die draer aangepas word. Die tegnologie maak weë oop vir intelligente robotika waarin so 'n aangename om te voel en gemaklike elektroniese vel om die liggaam van 'n robot of 'n kunsledemaat gedraai kan word. Om uit te brei, 'n prostetiese arm of been wat in hierdie elektroniese vel toegedraai is, kan die draer toelaat om op temperatuur- en drukveranderinge te reageer as gevolg van die veelvuldige sensors wat daarin ingebou is. Die robotiese arms of bene wat met so 'n e-vel toegerus is, kan die robotte meer delikaat teenoor mense laat optree en veiliger en betroubaarder maak. Byvoorbeeld, e-skin kan spesifiek gepas word op 'n robot wat 'n baba of 'n brose bejaarde hanteer en dus sal die robot nie te veel krag toepas nie. Nog 'n toepassing van e-skin kan moontlik in gevaarlike omgewings of hoërisiko-werksgeleenthede wees. Dit is aanneemlik dat hierdie tegnologie gebruik kan word met virtuele knoppies, kontroles of deure wat enige operasie sonder menslike fisiese interaksie moontlik sal maak, byvoorbeeld in plofstofindustrie of ander gevaarlike lyne van werk, en dus kan hierdie e-vel dalk die kanse verminder van enige menslike besering.

Voeg vertoning by e-skin

'n Span navorsers aan die Universiteit van Tokio het onlangs 'n uitstalling bygevoeg²(mikro-LED) tot ultradun, bandhulp-styl e-velpleisters om verskillende tekens van gesondheidsmonitering in reële tyd te vertoon (bv. die meting van glukosevlakke by mense met diabetes of die bewegende golfvorm van 'n elektrokardiogram van 'n hart pasiënt). Hierdie pleisters het 'n rekbare bedrading en kan dus buig of rek tot tot 45 persent, gebaseer op die beweging van die draer. Dit word beskou as die mees buigsame en duursame ontwerp in onlangse tye. Die voortdurende afskeiding van menslike velselle kan beteken dat die pleister na 'n paar dae kan afval, maar dit kan omseil word.

Hierdie studie, gelei deur professor Takao Someya verklaar dat so 'n vertoning uiteindelik gebruik kan word om mediese inligting op 'n naatlose en maklike manier te lees en te kommunikeer, nie net vir pasiënte nie, maar ook vir familielede, versorgers en gesondheidswerkers, hetsy persoonlik of selfs afstand. Dit sou ook boodskappe ontvang. Die navorsers poog om die betroubaarheid van die pleister verder te verbeter, dit meer koste-effektief te maak en ook die produksie daarvan te verhoog vir 'n wyer bereik regoor die wêreld. Hulle doelwit is om hierdie toestel teen die einde van 2020 in die mark bekend te stel.

Uitdagings wat voorlê

Die ontwikkeling van e-skin is 'n baie opwindende nuwe navorsing, maar een van die fundamentele eienskappe van ons - buigsaamheid en rekvermoë - moet nog suksesvol deur e-skin bereik word. Die e-vel is sag maar nie so rekbaar soos menslike vel nie. Volgens die skrywers is die materiaal soos dit staan ​​ook nie baie maklik reproduceerbaar nie. 'n Effense afname in die algehele waarnemingsprestasie in 'n hergeneesde/herwonne e-vel toestel is gesien in vergelyking met 'n nuwe module, dit moet volledig aangespreek word met verdere navorsing. Die magnetiese velde wat deur e-velle gebruik word, is ook redelik hoog en moet afgeskaal word. Tans word die toestel van 'n eksterne bron aangedryf wat baie onprakties is, maar dit behoort moontlik te wees om herlaaibare, klein batterye te hê om die toestel eerder aan te dryf. Dr.Xiao en sy span wil hierdie produk verfyn en skaaloplossing verbeter sodat ten minste die ekonomiese struikelblokke oortref kan word en hierdie e-vel makliker moet wees om te vervaardig en op robotte of prostetika of mediese toestelle of enigiets anders te plaas.

***

Bronne)

1. Zou Z et al. 2018. Herstelbare, ten volle herwinbare en smeebare elektroniese vel aangeskakel deur dinamiese kovalente termohardende nanosamestelling. Wetenskap Voorskotte. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508

2. Someya T. 2018. Deurlopende gesondheidsmonitering met ultrabuigsame sensors op die vel. AAAS Jaarvergadering Simposium, Austin, Texas, 17 Februarie 2018. https://aaas.confex.com/aaas/2018/meetingapp.cgi/Paper/20827

3. Yokota T. et al. Ultrabuigsame organiese fotoniese vel. WETENSKAPLIKE VOORUITGANGE. 15 April 2016. Vol 2, Uitgawe 4. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.1501856

***