Uppgötvun nýrrar tegundar af sveigjanlegri, sjálfgræðandi og fullkomlega endurvinnanlegri „rafrænni húð“ hefur víðtæka notkun í heilsueftirliti, vélfærafræði, stoðtækjum og endurbættum lífeðlisfræðilegum tækjum.
Rannsókn sem birt var í Vísindi Framfarir sýnir nýja rafræna húð (eða einfaldlega e-húð) sem hefur marga eiginleika, þar á meðal sveigjanleika, sjálfsgræðslu og fulla endurvinnslu í samanburði við manneskjuna. húð1.Húðin, stærsta líffæri okkar, er holdug hlífin þegar hún er séð utan frá. Húðin okkar er mjög fjölhæft líffæri sem virkar sem vatnsheldur, einangrandi skjöldur og verndar líkama okkar fyrir ýmsum utanaðkomandi hættum eða þáttum td skaðlegum sólarljósi. Sum hlutverk húðarinnar eru stjórnun líkamshita, vernd líkamans gegn inntöku eiturefna og einnig útskilnaður eiturefna (ásamt svita), vélrænn og ónæmisfræðilegur stuðningur og framleiðsla mikilvægra efna. D-vítamín sem er mjög mikilvægt fyrir beinin okkar. Húð er líka risastór skynjari með nægar taugar til að hafa samstundis samskipti við heilann.
Vísindamenn um allan heim hafa unnið að því að þróa mismunandi gerðir og stærðir af „wearable“ e-skinn' með það að markmiði að reyna að líkja eftir líffræðileg skin and its various functions. There is a strong need for flexible and stretchable devices for seamless integration with soft and curvilinear human skin. Nanoscale (10-9m) efni geta veitt nauðsynlega vélrænni og rafræna fjölhæfni sem kemur í stað stífa sílikonsins sem venjulega hefur verið notaður áður. Teymið undir forystu Dr. Jianliang Xiao við háskólann í Colorado, Boulder, Bandaríkjunum hefur þróað gervi rafræna húð (e-skin) með góðum árangri með það að markmiði að þýða skynjunarsnertingu mannshúðarinnar yfir á vélmenni og stoðtæki. Þessi tilraun er í þá átt að vera með „wearable“ tækni í framtíðinni sem myndi hafa mikla möguleika og gildi á læknis-, vísinda- og verkfræðisviðum.
E-skin: sjálfgræðandi og endurvinnanlegt
E-skin is a thin, translucent material having a skáldsaga 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.
Ef þessi e-húð verður ónothæf af einhverjum aðstæðum er hægt að endurvinna hana að fullu og breyta henni í glænýja e-skin með því að setja hana í endurvinnslulausn sem „vökvar“ núverandi e-skin efni og breytir því í „ ný“ e-skin. Þessi endurvinnslulausn - blanda af þremur efnasamböndum sem fást í verslun í etanóli - brýtur niður fjölliður og silfur nanóagnir sökkva neðst á lausninni. Þessar niðurbrotnu fjölliður er hægt að nota aftur til að búa til nýja virka e-húð. Þessi sjálfgræðandi og endurvinnanleiki sem hægt er að ná við stofuhita er rakin til efnabindingar fjölliðunnar sem notuð er. Kosturinn við fjölliða net af pólýímíni er að það er afturkræft og hægt að brjóta það og endurvinna ólíkt flestum hefðbundnum hitastilliefnum sem hvorki er hægt að endurmóta eða endurvinna eða endurvinna vegna óafturkræfra tengsla innan krosstengdra fjölliða neta þeirra. Þetta er sterkara en mannshúð sjálft og það gæti verið notað sem viðbót við hana frekar en í staðinn. Það er líka notalegt að snerta og líður næstum eins og alvöru húð sem gæti hugsanlega gert það sem hlífðarefni í framtíðinni, til dæmis rafeindatæki.
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 vélfærafræði 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.
Bætir skjá við e-skin
Hópur vísindamanna við háskólann í Tókýó hefur nýlega bætt við skjá2(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 sjúklingur). 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.
Þessi rannsókn, undir forystu prófessors Takao Someya, segir að slíkan skjá sé að lokum hægt að nota til að gera kleift að lesa og miðla læknisfræðilegum upplýsingum á óaðfinnanlegan og auðveldan hátt, ekki aðeins fyrir sjúklinga heldur einnig fyrir fjölskyldumeðlimi, umönnunaraðila og heilbrigðisstarfsfólk annað hvort í eigin persónu eða jafnvel í fjarska. Það myndi líka fá skilaboð. Rannsakendur miða að því að bæta enn frekar áreiðanleika plástsins, gera hann hagkvæmari og auka framleiðslu hans til að ná víðar um heiminn. Markmið þeirra er að koma þessu tæki á markað fyrir árslok 2020.
Áskoranir framundan
Þróun e-húð er mjög spennandi skáldsaga rannsókn, en einn af grundvallareiginleikum okkar - sveigjanleika og teygjugetu - á enn eftir að ná árangri með e-húð. E-húðin er mjúk en ekki eins teygjanleg og mannshúðin. Að sögn höfunda er efnið heldur ekki mjög auðvelt að endurskapa eins og það er. Lítilsháttar minnkun á heildarskynjunarafköstum í endurgrónu/endurunnu rafrænu tæki sást samanborið við nýrri einingu, þetta þarf að bregðast að fullu við með frekari rannsóknum. Segulsviðin sem e-skins nota eru líka nokkuð há og þarf að minnka þær. Eins og er er tækið knúið frá utanaðkomandi orkugjafa sem er mjög ópraktískt, en það ætti að vera hægt að hafa endurhlaðanlegar, litlar rafhlöður til að knýja tækið í staðinn. Dr.Xiao og teymi hans vilja betrumbæta þessa vöru og bæta mælikvarðalausnina þannig að hægt sé að fara yfir efnahagslegar hindranir að minnsta kosti og þetta e-húð ætti að vera auðveldara að framleiða og setja á vélmenni eða stoðtæki eða lækningatæki eða eitthvað annað.
***
{Þú getur lesið upprunalegu rannsóknarritgerðina með því að smella á DOI hlekkinn sem gefinn er upp hér að neðan á listanum yfir tilvitnaðar heimildir}
Heimildir)
1. Zou Z o.fl. 2018. Endurgræðanleg, endurvinnanleg og sveigjanleg rafræn húð sem er virkjuð með kraftmikilli samgildu hitastilltu nanósamsetningu. Vísindi Framfarir. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508
2. Someya T. 2018. Stöðugt heilsueftirlit með ofursveigjanlegum skynjara á húð. AAAS Annual Meeting Symposium, Austin, Texas, 17. febrúar 2018.
