کشف نوع جدیدی از "پوست الکترونیکی" چکش خوار، خود ترمیم شونده و کاملاً قابل بازیافت کاربردهای گسترده ای در نظارت بر سلامت، رباتیک، پروتز و دستگاه های زیست پزشکی بهبود یافته دارد.
یک مطالعه منتشر شده در با پیشرفتهای علمی یک پوست الکترونیکی جدید (یا به سادگی e-skin) را به نمایش می‌گذارد که در مقایسه با انسان، دارای خواص متعددی از جمله چکش‌خواری، خود ترمیمی و قابلیت بازیافت کامل است. پوست1پوست، بزرگترین اندام ما، وقتی از بیرون دیده شود، پوشش گوشتی است. پوست ما یک اندام بسیار متنوع است که به عنوان یک سپر ضد آب و عایق عمل می کند و از بدن ما در برابر انواع خطرات یا عوامل خارجی مانند آسیب رساندن به نور خورشید محافظت می کند. برخی از وظایف پوست تنظیم دمای بدن، محافظت از بدن در برابر دریافت مواد سمی و همچنین دفع مواد سمی (همراه با عرق)، حمایت مکانیکی و ایمنی و تولید مواد حیاتی است. ویتامین D که برای استخوان های ما بسیار مهم است. پوست همچنین یک حسگر بزرگ با اعصاب کافی برای برقراری ارتباط فوری با مغز است.
محققان در سراسر جهان بر روی توسعه انواع و اندازه های مختلف پوشیدنی کار کرده اند پوسته های الکترونیکیبا هدف تلاش برای تقلید زیستی پوست و عملکردهای مختلف آن برای ادغام بدون درز با پوست نرم و منحنی انسان، نیاز شدیدی به دستگاه‌های انعطاف‌پذیر و کششی وجود دارد. مقیاس نانو (10-9m) مواد می توانند تطبیق پذیری مکانیکی و الکتریکی مورد نیاز را به جای سیلیکون سفت و سخت که معمولاً قبلاً استفاده می شده است، فراهم کنند. تیمی به سرپرستی دکتر جیانلیانگ شیائو در دانشگاه کلرادو، بولدر، ایالات متحده با موفقیت یک پوست الکترونیک مصنوعی (e-skin) با هدف ترجمه لمس حسی پوست انسان به روبات‌ها و پروتزها توسعه دادند. این تلاش در راستای برخورداری از فناوری «پوشیدنی» در آینده است که پتانسیل و ارزش زیادی در زمینه های پزشکی، علمی و مهندسی داشته باشد.
E-skin: خود ترمیم شونده و قابل بازیافت
E-skin یک ماده نازک و نیمه شفاف است که دارای یک رمان نوعی شبکه پلیمری پویا با پیوند کووالانسی، به نام پلی‌آمین، که برای بهبود استحکام مکانیکی، پایداری شیمیایی و هدایت الکتریکی با نانوذرات نقره پوشانده شده است. این پوسته الکترونیکی همچنین دارای سنسورهایی برای اندازه گیری فشار، دما، رطوبت و جریان هوا در آن تعبیه شده است. این پوست الکترونیکی قابل توجه است زیرا با ویژگی های بسیاری ترکیب شده است که آن را شبیه به پوست انسان می کند. بسیار چکش‌خوار است و می‌توان آن را به راحتی روی سطوح منحنی (مانند بازوها و پاهای انسان، دست‌های روباتیک) با اعمال گرما و فشار متوسط بدون وارد کردن تنش‌های بیش از حد، قرار داد. این پوسته دارای خواص خود ترمیمی شگفت انگیزی است که در صورت هرگونه بریدگی یا آسیب ناشی از شرایط خارجی، پوست الکترونیکی پیوندهای شیمیایی بین دو طرف جدا شده را دوباره ایجاد می کند و ماتریکس را برای عملکرد مناسب خود باز می گرداند و به حالت پیوند اولیه خود باز می گردد.
اگر به هر شرایطی این پوسته الکترونیکی غیرقابل استفاده شود، می توان آن را به طور کامل بازیافت کرد و با قرار دادن آن در محلول بازیافتی که مواد پوست الکترونیکی موجود را مایع کرده و آن را به یک پوسته الکترونیکی کاملاً جدید تبدیل کرد. new” e-skin. این محلول بازیافت - مخلوطی از سه ترکیب شیمیایی تجاری موجود در اتانول - پلیمرها را تجزیه می کند و نانوذرات نقره در انتهای محلول فرو می روند. این پلیمرهای تخریب شده را می توان دوباره برای ساختن پوسته الکترونیکی کاربردی جدید استفاده کرد. این خود ترمیمی و بازیافتی که در دمای اتاق قابل دستیابی است به پیوند شیمیایی پلیمر مورد استفاده نسبت داده می شود. مزیت شبکه پلیمری پلی ایمین این است که بر خلاف اکثر مواد ترموستات معمولی که به دلیل پیوندهای برگشت ناپذیر در شبکه های پلیمری متقاطع آنها قابل تغییر شکل، پردازش یا بازیافت نیستند، برگشت پذیر است و می تواند شکسته و بازیافت شود. این از خود پوست انسان قوی‌تر است و می‌توان آن را به‌جای جایگزینی، به‌عنوان تقویت‌کننده آن استفاده کرد. همچنین لمس آن خوشایند است و تقریباً شبیه پوست واقعی است که احتمالاً در آینده می تواند آن را به عنوان یک عامل پوشش دهنده مانند دستگاه های الکترونیکی تبدیل کند.
ویژگی‌های سازگار با محیط‌زیست و کم‌هزینه پوست الکترونیک مورد استقبال قرار گرفته‌اند و چنین پوسته‌ای می‌تواند ضایعات الکترونیکی و اثرات زیست‌محیطی را تا حد زیادی کاهش دهد و در بین تولیدکنندگان در زمینه‌های مختلف بسیار قابل استفاده و محبوب باشد. اگرچه ممکن است در حال حاضر دور از ذهن به نظر برسد، اما این فناوری استفاده مجدد می تواند به طور مشابه در مورد وسایل الکترونیکی قدیمی نیز اعمال شود. در واقع، ردیاب‌های تناسب اندام امروزی و مانیتورهای سلامتی که زمانی آسیب دیده‌اند، به مشکلات مربوط به محیط زیست ترکیب زباله‌های الکترونیکی در حال رشد می‌افزایند. پوست الکترونیکی را می‌توان دور گردن یا روی مچ‌های ما قرار داد و اینها می‌توانند مانند پوشیدنی‌های انعطاف‌پذیر یا خالکوبی‌های موقت باشند و هر زمان که آسیب ببینند، می‌توان آنها را بازیافت و دوباره استفاده کرد. از آنجایی که e-skin انعطاف‌پذیر است، می‌توان آن را خم و پیچ خورد و با توجه به استفاده‌کننده آن را سفارشی کرد. این فناوری راه هایی را برای هوشمندان باز می کند رباتیک که در آن می توان چنین پوست الکترونیکی خوشایند و راحت را دور بدن یک ربات یا یک اندام مصنوعی پیچید. برای توضیح بیشتر، یک دست یا پای مصنوعی که در این پوست الکترونیکی پیچیده شده است می‌تواند به کاربر اجازه دهد به تغییرات دما و فشار به دلیل حسگرهای متعدد تعبیه شده در آن پاسخ دهد. بازوها یا پاهای رباتیک مجهز به چنین پوست الکترونیکی می‌توانند باعث شوند ربات‌ها با ظرافت بیشتری نسبت به انسان رفتار کنند و ایمن و قابل اعتمادتر باشند. به عنوان مثال، پوست الکترونیکی را می‌توان به طور خاص برای رباتی که نوزاد یا افراد مسن شکننده را کنترل می‌کند نصب کرد و بنابراین ربات نیروی زیادی اعمال نخواهد کرد. یکی دیگر از کاربردهای پوست الکترونیکی می تواند به طور بالقوه در محیط های خطرناک یا مشاغل پرخطر باشد. قابل قبول است که این فناوری می تواند با دکمه ها، کنترل ها یا درهای مجازی استفاده شود که هر عملیاتی را بدون تعامل فیزیکی انسان امکان پذیر می کند، به عنوان مثال در صنعت مواد منفجره یا سایر خطوط کار خطرناک، و بنابراین این پوسته الکترونیکی ممکن است بتواند شانس را کاهش دهد. از هرگونه آسیب انسانی
افزودن نمایشگر به پوسته الکترونیکی
تیمی از محققان دانشگاه توکیو اخیراً نمایشگری را اضافه کرده اند2(میکرو ال ای دی) تا تکه های پوست الکترونیکی فوق نازک به سبک باند کمکی برای نمایش علائم مختلف نظارت بر سلامت در زمان واقعی (مانند اندازه گیری سطح گلوکز در افراد مبتلا به دیابت یا شکل موج متحرک الکتروکاردیوگرام قلب بیمار). این وصله ها سیم کشی دارند و بنابراین می توانند تا 45 درصد بر اساس حرکت کاربر خم شوند یا کشیده شوند. اینها به عنوان دارای انعطاف پذیرترین و بادوام ترین طراحی در دوران اخیر در نظر گرفته می شوند. ریزش مداوم سلول‌های پوست انسان می‌تواند به این معنی باشد که ممکن است لکه بعد از چند روز از بین برود، اما می‌توان این کار را برطرف کرد.
این مطالعه به رهبری پروفسور تاکائو سامیا بیان می‌کند که چنین نمایشگری می‌تواند در نهایت برای فعال کردن خواندن و برقراری ارتباط اطلاعات پزشکی به شیوه‌ای یکپارچه و آسان نه تنها برای بیماران، بلکه برای اعضای خانواده، مراقبان و متخصصان سلامت به صورت حضوری یا حتی استفاده شود. از راه دور پیام ها را نیز دریافت می کرد. هدف محققان بهبود بیشتر قابلیت اطمینان پچ، مقرون‌به‌صرفه‌تر کردن آن و همچنین افزایش تولید آن برای دسترسی گسترده‌تر به سراسر جهان است. هدف آنها عرضه این دستگاه به بازار تا پایان سال 2020 است.
چالش های پیش رو
توسعه پوست الکترونیکی یک تحقیق جدید بسیار هیجان انگیز است، با این حال، یکی از ویژگی های اساسی ما - انعطاف پذیری و قابلیت کشش - هنوز با موفقیت توسط پوست الکترونیکی به دست نیامده است. پوست الکترونیکی نرم است اما نه به اندازه پوست انسان کشدار است. به گفته نویسندگان، همانطور که مطرح می شود، مواد نیز به راحتی قابل تکرار نیستند. کاهش جزئی در عملکرد حسی کلی در یک دستگاه پوست الکترونیکی بازسازی شده/بازیافت شده در مقایسه با یک ماژول جدید مشاهده شد، که باید با تحقیقات بیشتر به طور کامل به آن پرداخته شود. میدان های مغناطیسی استفاده شده توسط پوسته های الکترونیکی نیز بسیار زیاد است و باید کاهش یابد. در حال حاضر دستگاه از یک منبع خارجی تغذیه می شود که بسیار غیرعملی است، اما باید به جای آن، باتری های قابل شارژ و کوچک برای تغذیه دستگاه وجود داشته باشد. دکتر شیائو و تیمش می‌خواهند این محصول را اصلاح کنند و محلول جرم‌گیری را بهبود بخشند تا حداقل بتوان از موانع اقتصادی عبور کرد و ساخت و قرار دادن این پوسته الکترونیکی روی روبات‌ها یا پروتزها یا وسایل پزشکی یا هر چیز دیگری آسان‌تر باشد.
***
{شما می‌توانید مقاله پژوهشی اصلی را با کلیک بر روی پیوند DOI که در فهرست منابع ذکر شده در زیر آمده است بخوانید}
منبع (ها)
1. Zou Z و همکاران. 2018. پوست الکترونیکی قابل بازیافت، کاملاً قابل بازیافت و چکش خوار با نانوکامپوزیت ترموست کووالانسی پویا. با پیشرفتهای علمی. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508
2. Someya T. 2018. نظارت مداوم بر سلامت با سنسورهای روی پوست فوق انعطاف پذیر. سمپوزیوم نشست سالانه AAAS، آستین، تگزاس، 17 فوریه 2018.
