De ontdekking van een nieuw type kneedbare, zelfherstellende en volledig recyclebare "elektronische huid" heeft brede toepassingen in gezondheidsmonitoring, robotica, protheses en verbeterde biomedische apparaten.
Een studie gepubliceerd in Wetenschap Advances toont een nieuwe elektronische huid (of gewoon e-skin) die veel eigenschappen heeft, waaronder kneedbaarheid, zelfgenezing en volledige recycleerbaarheid in vergelijking met de mens huid1.De huid, ons grootste orgaan, is de vlezige bedekking van buitenaf gezien. Onze huid is een zeer veelzijdig orgaan dat fungeert als een waterdicht, isolerend schild en ons lichaam beschermt tegen een verscheidenheid aan externe gevaren of factoren, bijv. schadelijke zon. Enkele van de functies van de huid zijn het reguleren van de lichaamstemperatuur, het beschermen van het lichaam tegen inname van giftige stoffen en ook de uitscheiding van giftige stoffen (samen met zweet), mechanische en immunologische ondersteuning en productie van de cruciale vitamine D wat erg belangrijk is voor onze botten. De huid is ook een enorme sensor met voldoende zenuwen om onmiddellijk met de hersenen te communiceren.
Wereldwijd werken onderzoekers aan de ontwikkeling van verschillende soorten en maten 'wearable' e-huiden' met als doel proberen na te bootsen biologisch huid en haar verschillende functies. Er is een sterke behoefte aan flexibele en rekbare apparaten voor naadloze integratie met de zachte en kromlijnige menselijke huid. Nanoschaal (10-9m) materialen kunnen de vereiste mechanische en elektrische veelzijdigheid bieden ter vervanging van het stijve silicium dat gewoonlijk eerder werd gebruikt. Het team onder leiding van Dr. Jianliang Xiao van de Universiteit van Colorado, Boulder, VS heeft met succes een kunstmatige elektronische huid (e-skin) ontwikkeld met als doel de sensorische aanraking van de menselijke huid te vertalen naar robots en protheses. Deze poging is in de richting van een "draagbare" technologie in de toekomst die een enorm potentieel en waarde zou hebben op medisch, wetenschappelijk en technisch gebied.
E-skin: zelfherstellend en recyclebaar
E-skin is een dun, doorschijnend materiaal met een roman soort covalent gebonden dynamisch polymeernetwerk, polyimine genaamd, dat is doorspekt met zilveren nanodeeltjes voor verbeterde mechanische sterkte, chemische stabiliteit en elektrische geleidbaarheid. In deze e-skin zijn ook sensoren verwerkt die druk, temperatuur, vochtigheid en luchtstroom meten. Deze e-skin wordt als opmerkelijk beschouwd omdat er veel kenmerken in zijn verwerkt die hem een extreem nauwere nabootsing van de menselijke huid maken. Het is zeer kneedbaar en kan gemakkelijk op gebogen oppervlakken worden aangebracht (bijvoorbeeld menselijke armen en benen, robothanden) door er matige hitte en druk op uit te oefenen zonder overmatige spanningen te veroorzaken. Het heeft verbazingwekkende zelfherstellende eigenschappen waarbij de e-skin bij elke snee of schade veroorzaakt door een externe omstandigheid de chemische bindingen tussen de twee gescheiden zijden opnieuw creëert, waardoor de matrix wordt hersteld voor zijn juiste functionaliteit en terugkeert naar zijn oorspronkelijke gebonden staat.
Als deze e-skin door welke omstandigheid dan ook onbruikbaar wordt, kan deze volledig worden gerecycled en omgezet in een gloednieuwe e-skin door deze in een recyclingoplossing te plaatsen die het bestaande e-skin-materiaal "vloeibaar maakt" en er een " nieuwe” e-skin. Deze recyclingoplossing - een mengsel van drie commercieel verkrijgbare chemische verbindingen in ethanol - degradeert polymeren en zilveren nanodeeltjes zinken naar de bodem van de oplossing. Deze afgebroken polymeren kunnen opnieuw worden gebruikt om een nieuwe functionele e-skin te maken. Deze zelfherstellende en recycleerbaarheid die bij kamertemperatuur kan worden bereikt, wordt toegeschreven aan de chemische binding van het gebruikte polymeer. Het voordeel van een polymeer netwerk van polyimine is dat het omkeerbaar is en kan worden gebroken en gerecycled in tegenstelling tot de meeste conventionele thermostaatmaterialen die niet kunnen worden omgevormd of opnieuw verwerkt of gerecycled vanwege de onomkeerbare bindingen binnen hun verknoopte polymere netwerken. Dit is robuuster dan de menselijke huid zelf en kan worden gebruikt als een verbetering ervan in plaats van als vervanging. Het is ook aangenaam om aan te raken en voelt bijna als een echte huid, die het in de toekomst mogelijk als bedekkingsmiddel zou kunnen gebruiken, bijvoorbeeld elektronische apparaten.
De milieuvriendelijke en goedkope eigenschappen van e-skin worden geprezen en een dergelijke e-skin zou elektronisch afval en de impact op het milieu aanzienlijk kunnen verminderen en zou zeer bruikbaar en populair kunnen zijn bij fabrikanten op verschillende gebieden. Hoewel het op dit moment misschien vergezocht klinkt, zou deze hergebruiktechnologie ook op dezelfde manier kunnen worden toegepast op oude elektronische artikelen. In feite dragen moderne fitnesstrackers en gezondheidsmonitors die ooit beschadigd zijn, bij aan de groeiende berg van milieuproblemen die verband houden met het samenstellen van e-waste. De e-skin kan om onze nek of om onze polsen worden gedragen en dit kunnen flexibele wearables of tijdelijke tatoeages zijn. Wanneer ze beschadigd raken, kunnen ze worden gerecycled en hergebruikt. Omdat e-skin flexibel is, kan het worden gebogen en gedraaid en kan het op maat worden gemaakt voor de drager. De technologie opent mogelijkheden voor intelligent robotica waarin zo'n prettig aanvoelende en comfortabele elektronische huid rond het lichaam van een robot of een kunstlid kan worden gewikkeld. Om dit uit te werken, kan een prothetische arm of been die in deze elektronische huid is gewikkeld de drager in staat stellen te reageren op temperatuur- en drukveranderingen dankzij de meerdere sensoren die erin zijn verwerkt. De robotarmen of -benen die zijn uitgerust met een dergelijke e-skin kunnen ervoor zorgen dat de robots delicater tegenover mensen optreden en veiliger en betrouwbaarder zijn. E-skin zou bijvoorbeeld specifiek kunnen worden aangepast aan een robot die een baby of een kwetsbare oudere hanteert, zodat de robot niet te veel kracht zal uitoefenen. Een andere toepassing van e-skin kan potentieel in gevaarlijke omgevingen of risicovolle banen zijn. Het is aannemelijk dat deze technologie kan worden gebruikt met virtuele knoppen, bedieningselementen of deuren die elke operatie mogelijk maken zonder menselijke fysieke interactie, bijvoorbeeld in de explosievenindustrie of andere gevaarlijke werkgebieden, en dus kan deze e-skin de kansen misschien verkleinen van enig menselijk letsel.
Display toevoegen aan e-skin
Een team van onderzoekers van de Universiteit van Tokyo heeft onlangs een display toegevoegd2(micro-LED) tot ultradunne, pleisterachtige e-skin-pleisters om de weergave van verschillende tekenen van gezondheidsmonitoring in realtime mogelijk te maken (bijvoorbeeld het meten van glucosewaarden bij mensen met diabetes of de bewegende golfvorm van een elektrocardiogram van een hart patiënt). Deze pleisters hebben een rekbare bedrading en kunnen dus tot 45 procent buigen of uitrekken, afhankelijk van de beweging van de drager. Deze worden beschouwd als de meest flexibele en duurzame ontwerpen van de afgelopen tijd. Het voortdurend afstoten van menselijke huidcellen kan ertoe leiden dat de pleister na een paar dagen eraf valt, maar dit kan worden omzeild.
Deze studie, geleid door professor Takao Someya stelt dat een dergelijk display uiteindelijk kan worden gebruikt om medische informatie op een naadloze en gemakkelijke manier te lezen en te communiceren, niet alleen voor patiënten, maar ook voor familieleden, zorgverleners en gezondheidswerkers, hetzij persoonlijk of zelfs van een afstand. Het zou ook berichten ontvangen. De onderzoekers willen de betrouwbaarheid van de patch verder verbeteren, kosteneffectiever maken en ook de productie verhogen voor een groter bereik over de hele wereld. Hun doel is om dit toestel eind 2020 op de markt te brengen.
Uitdagingen voor de toekomst
De ontwikkeling van e-skin is een zeer opwindend nieuw onderzoek, maar een van de fundamentele eigenschappen van onze - flexibiliteit en rekbaarheid - moet nog met succes worden bereikt door e-skin. De e-skin is zacht maar niet zo rekbaar als de menselijke huid. Volgens de auteurs is het materiaal zoals het er nu voor staat ook niet erg gemakkelijk reproduceerbaar. Er werd een lichte vermindering van de algehele detectieprestaties waargenomen in een hersteld/gerecycled e-skin-apparaat in vergelijking met een nieuwe module, dit moet volledig worden aangepakt met verder onderzoek. De magnetische velden die door e-skins worden gebruikt, zijn ook vrij hoog en moeten worden verkleind. Momenteel wordt het apparaat gevoed door een externe bron, wat erg onpraktisch is, maar in plaats daarvan zou het mogelijk moeten zijn om oplaadbare, kleine batterijen te hebben om het apparaat van stroom te voorzien. Dr.Xiao en zijn team willen dit product verfijnen en de schaaloplossing verbeteren, zodat in ieder geval de economische hindernissen kunnen worden overwonnen en deze e-skin moet gemakkelijker te vervaardigen en te plaatsen zijn op robots of protheses of medische apparaten of iets anders.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
1. Zou Z et al. 2018. Herstelbare, volledig recyclebare en kneedbare elektronische huid mogelijk gemaakt door dynamische covalente thermohardende nanocomposiet. Wetenschap Advances. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508
2. Someya T. 2018. Continue gezondheidsmonitoring met ultraflexibele huidsensoren. AAAS Jaarvergadering Symposium, Austin, Texas, 17 februari 2018.
