Otkriće nove vrste savitljive, samozacjeljujuće i potpuno reciklirajuće “elektroničke kože” ima široku primjenu u praćenju zdravlja, robotici, protetici i poboljšanim biomedicinskim uređajima.
Studija objavljena u Znanost Napredak prikazuje novu elektroničku kožu (ili jednostavno e-kožu) koja ima mnoga svojstva, uključujući savitljivost, samoizlječenje i potpunu recikliranje u usporedbi s ljudskim koža1.Koža, naš najveći organ, je mesnati omotač kada se gleda izvana. Naša koža je vrlo svestran organ koji djeluje kao vodootporan, izolacijski štit i štiti naše tijelo od raznih vanjskih opasnosti ili čimbenika, npr. štetnog sunca. Neke od funkcija kože su regulacija tjelesne temperature, zaštita tijela od unosa otrovnih tvari te izlučivanje otrovnih tvari (zajedno sa znojem), mehanička i imunološka potpora i proizvodnja presudnih tvari. Vitamin D što je vrlo važno za naše kosti. Koža je također veliki senzor s dovoljno živaca za trenutnu komunikaciju s mozgom.
Istraživači diljem svijeta rade na razvoju različitih tipova i veličina "nosivih". e-skinovi' s ciljem pokušaja oponašanja biološki kože i njezine različite funkcije. Postoji snažna potreba za fleksibilnim i rastezljivim uređajima za besprijekornu integraciju s mekom i zakrivljenom ljudskom kožom. Nanoskala (10-9m) materijali mogu pružiti potrebnu mehaničku i električnu svestranost zamjenjujući kruti silicij koji se obično ranije koristio. Tim predvođen dr. Jianliang Xiaoom sa Sveučilišta Colorado, Boulder, SAD, uspješno je razvio umjetnu elektroničku kožu (e-skin) s ciljem prevođenja osjetilnog dodira ljudske kože na robote i protetiku. Ovaj pokušaj je u smjeru postojanja “nosive” tehnologije u budućnosti koja bi imala ogroman potencijal i vrijednost u medicinskim, znanstvenim i inženjerskim područjima.
E-koža: samoizlječiva i može se reciklirati
E-skin je tanak, proziran materijal koji ima roman vrsta kovalentno vezane dinamičke polimerne mreže, nazvane poliimin, koja je protkana nanočesticama srebra za poboljšanu mehaničku čvrstoću, kemijsku stabilnost i električnu vodljivost. Ova e-koža također ima ugrađene senzore za mjerenje tlaka, temperature, vlažnosti i protoka zraka. Ova se e-koža smatra izvanrednom jer je ugrađena s mnogim značajkama koje je čine izuzetno bližom oponašanju ljudske kože. Vrlo je savitljiv i može se lako postaviti na zakrivljene površine (npr. ljudske ruke i noge, robotske ruke) primjenom umjerene topline i pritiska na njega bez unošenja pretjeranih naprezanja. Ima nevjerojatna svojstva samoiscjeljivanja pri čemu nakon bilo kakvog posjekotina ili oštećenja uzrokovanog vanjskim okolnostima, e-koža ponovno stvara kemijske veze između dvije odvojene strane obnavljajući matricu za njezinu ispravnu funkcionalnost i vraćajući se u prvobitno povezano stanje.
Ako ova e-koža zbog bilo koje okolnosti postane neupotrebljiva, može se u potpunosti reciklirati i pretvoriti u potpuno novu e-kožu stavljanjem u rješenje za recikliranje koje "ukapljuje" postojeći materijal e-kože i pretvara ga u " nova” e-koža. Ova otopina za recikliranje – mješavina triju komercijalno dostupnih kemijskih spojeva u etanolu – razgrađuje polimere i nanočestice srebra tonu na dnu otopine. Ovi degradirani polimeri mogu se ponovno koristiti za izradu nove funkcionalne e-kože. Ovo samoizlječenje i mogućnost recikliranja koje je moguće postići na sobnoj temperaturi pripisuje se kemijskoj vezi upotrijebljenog polimera. Prednost polimerne mreže od poliimina je u tome što je reverzibilna i može se razbiti i reciklirati za razliku od većine konvencionalnih termostatskih materijala koji se ne mogu preoblikovati, ponovno obraditi ili reciklirati zbog ireverzibilnih veza unutar njihovih umreženih polimernih mreža. Ovo je robusnije od same ljudske kože i može se koristiti kao poboljšanje, a ne kao zamjena. Također je ugodan na dodir i osjeća se gotovo kao prava koža što bi ga u budućnosti moglo poslužiti kao sredstvo za pokrivanje, recimo elektroničkih uređaja.
Ekološki prihvatljiva i jeftina svojstva e-skina su hvaljena i takva e-koža bi mogla uvelike smanjiti elektronički otpad i utjecaj na okoliš te bi mogla biti vrlo upotrebljiva i popularna među proizvođačima u različitim područjima. Iako u ovom trenutku može zvučati nategnuto, ova tehnologija ponovne upotrebe mogla bi se na sličan način primijeniti i na stare elektroničke predmete. Zapravo, moderni uređaji za praćenje fitnessa i monitori zdravlja nakon što se oštete dodaju rastućem brdu e-otpada koji se sastoji od problema povezanih s okolišem. E-skin možemo nositi oko vrata ili na zapešću i to mogu biti poput fleksibilnih nosivih predmeta ili privremenih tetovaža, a kad god se oštete, mogu se reciklirati i ponovno upotrijebiti. Budući da je e-koža fleksibilna, može se savijati i uvijati te se može prilagoditi prema nositelju. Tehnologija otvara puteve za inteligentne robotika u kojem se tako ugodna na dodir i udobna elektronička koža može omotati oko tijela robota ili umjetnog uda. Da pojasnimo, protetička ruka ili noga koja je umotana u ovu elektroničku kožu može omogućiti nositelju da reagira na promjene temperature i tlaka zbog višestrukih senzora ugrađenih u nju. Robotske ruke ili noge opremljene takvom e-kožom mogu učiniti da se roboti ponašaju delikatnije prema ljudima i da budu sigurniji i pouzdaniji. Na primjer, e-skin bi se mogao posebno prilagoditi robotu koji rukuje bebom ili krhkom starijom osobom i stoga robot neće primjenjivati previše sile. Još jedna primjena e-skina može biti potencijalno u opasnim okruženjima ili poslovima visokog rizika. Vjerojatno je da bi se ova tehnologija mogla koristiti s virtualnim gumbima, kontrolama ili vratima koja bi omogućila bilo kakvu radnju bez ljudske fizičke interakcije, na primjer u industriji eksploziva ili drugim opasnim poslovima, pa bi stoga ova e-koža mogla smanjiti šanse bilo kakve ljudske ozljede.
Dodavanje prikaza na e-skin
Tim istraživača sa Sveučilišta u Tokiju nedavno je dodao zaslon2(micro-LED) do ultratankih flastera za e-kožu u stilu flastera koji omogućuju prikaz različitih znakova praćenja zdravlja u stvarnom vremenu (npr. mjerenje razine glukoze kod osoba s dijabetesom ili pokretni valni oblik elektrokardiograma srca pacijent). Ove zakrpe imaju rastezljivu žicu i stoga se mogu saviti ili rastegnuti do 45 posto ovisno o kretnjama nositelja. Smatra se da imaju najfleksibilniji i najtrajniji dizajn u posljednje vrijeme. Kontinuirano odbacivanje stanica ljudske kože moglo bi značiti da bi flaster mogao otpasti nakon nekoliko dana, ali to se može riješiti.
Ova studija, koju je vodio profesor Takao Someya, navodi da se takav zaslon na kraju može koristiti kako bi se omogućilo čitanje i prenošenje medicinskih informacija na besprijekoran i jednostavan način ne samo za pacijente nego i za članove obitelji, skrbnike i zdravstvene radnike, bilo osobno ili čak na daljinu. Primalo bi i poruke. Istraživači nastoje dodatno poboljšati pouzdanost flastera, učiniti ga isplativijim i povećati njegovu proizvodnju za širi doseg diljem svijeta. Njihov cilj je izbaciti ovaj uređaj na tržište do kraja 2020. godine.
Izazovi pred nama
Razvoj e-kože vrlo je uzbudljivo novo istraživanje, međutim, jedno od temeljnih svojstava naše kože – fleksibilnost i sposobnost rastezanja – e-koža tek treba uspješno postići. E-koža je meka, ali nije tako rastezljiva kao ljudska koža. Prema autorima, takav materijal također nije lako reproducirati. Primijećeno je blago smanjenje ukupne performanse senzora u ponovno zaliječenom/recikliranom uređaju e-skin u usporedbi sa svježim modulom, što se mora u potpunosti riješiti daljnjim istraživanjem. Magnetska polja koja koriste e-skinovi također su prilično visoka i treba ih smanjiti. Trenutno se uređaj napaja iz vanjskog izvora što je vrlo nepraktično, ali bi umjesto toga trebalo biti moguće imati punjive male baterije za napajanje uređaja. Dr. Xiao i njegov tim žele usavršiti ovaj proizvod i poboljšati rješenje za skaliranje kako bi se barem mogle nadmašiti ekonomske prepreke te bi se ova e-koža trebala lakše proizvoditi i postavljati na robote ili protetiku ili medicinske uređaje ili bilo što drugo.
***
{Izvorni istraživački rad možete pročitati klikom na vezu DOI koja se nalazi u nastavku na popisu citiranih izvora}
Izvor (i)
1. Zou Z i sur. 2018. Ponovljiva, potpuno reciklirana i savitljiva elektronička koža koju omogućuje dinamički kovalentni termoset nanokompozit. Znanost Napredak. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508
2. Someya T. 2018. Kontinuirano praćenje zdravlja s ultrafleksibilnim senzorima na koži. AAAS Annual Meeting Symposium, Austin, Texas, 17. veljače 2018.
