Die Entdeckung einer neuen Art von formbarer, selbstheilender und vollständig recycelbarer „elektronischer Haut“ findet breite Anwendung in der Gesundheitsüberwachung, Robotik, Prothetik und verbesserten biomedizinischen Geräten.
Eine Studie in den veröffentlichten Wissenschaft Fortschritte präsentiert eine neue elektronische Haut (oder einfach E-Skin), die im Vergleich zur menschlichen Haut eine Vielzahl von Eigenschaften aufweist, darunter Formbarkeit, Selbstheilung und vollständige Recyclingfähigkeit Haare1.Die Haut, unser größtes Organ, ist von außen betrachtet die fleischige Hülle. Unsere Haut ist ein sehr vielseitiges Organ, das als wasserdichter, isolierender Schutzschild unseren Körper vor einer Vielzahl von äußeren Gefahren oder Faktoren wie z. B. Sonnenschäden schützt. Einige der Funktionen der Haut sind die Regulierung der Körpertemperatur, der Schutz des Körpers vor der Aufnahme von Giftstoffen und auch die Ausscheidung von Giftstoffen (zusammen mit Schweiß), die mechanische und immunologische Unterstützung und Produktion der entscheidenden Vitamin-D- was für unsere Knochen sehr wichtig ist. Die Haut ist auch ein riesiger Sensor mit reichlich Nerven, um sofort mit dem Gehirn zu kommunizieren.
Forscher weltweit haben an der Entwicklung verschiedener Arten und Größen von "Wearables" gearbeitet E-Skins' mit dem Ziel, nachzuahmen und mit einander verheirateten Haut und ihre verschiedenen Funktionen. Es besteht ein großer Bedarf an flexiblen und dehnbaren Geräten zur nahtlosen Integration in die weiche und gekrümmte menschliche Haut. Nanoskalig (10-9m) Materialien können die erforderliche mechanische und elektrische Vielseitigkeit bereitstellen, die das bisher üblicherweise verwendete starre Silizium ersetzen. Dem Team um Dr. Jianliang Xiao von der University of Colorado, Boulder, USA, ist es gelungen, eine künstliche elektronische Haut (E-Skin) mit dem Ziel zu entwickeln, sensorische Berührungen der menschlichen Haut auf Roboter und Prothetik zu übertragen. Dieser Versuch geht in Richtung einer „tragbaren“ Technologie in der Zukunft, die ein enormes Potenzial und einen großen Wert in den Bereichen Medizin, Wissenschaft und Technik haben würde.
E-Skin: selbstheilend und recycelbar
E-Skin ist ein dünnes, durchscheinendes Material mit einer Roman Eine Art kovalent gebundenes dynamisches Polymernetzwerk namens Polyimin, das mit Silbernanopartikeln versetzt ist, um die mechanische Festigkeit, chemische Stabilität und elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. In diese E-Skin sind außerdem Sensoren eingebettet, die Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftstrom messen. Diese E-Skin gilt als bemerkenswert, da sie mit vielen Funktionen ausgestattet ist, die sie der menschlichen Haut extrem nahe kommen lassen. Es ist sehr formbar und lässt sich leicht auf gekrümmten Oberflächen (z. B. menschliche Arme und Beine, Roboterhände) anbringen, indem man mäßige Hitze und Druck darauf ausübt, ohne dass übermäßige Spannungen entstehen. Es verfügt über erstaunliche Selbstheilungseigenschaften, bei denen die E-Skin bei jedem durch äußere Umstände verursachten Schnitt oder Schaden die chemischen Bindungen zwischen den beiden getrennten Seiten wiederherstellt und so die ordnungsgemäße Funktionalität der Matrix wiederherstellt und in ihren ursprünglichen Verbundzustand zurückkehrt.
Sollte dieser E-Skin aufgrund irgendwelcher Umstände unbrauchbar werden, kann er vollständig recycelt und in einen brandneuen E-Skin umgewandelt werden, indem er in eine Recyclinglösung gegeben wird, die das vorhandene E-Skin-Material „verflüssigt“ und zu einem „ neue“ E-Skin. Diese Recyclinglösung – eine Mischung aus drei handelsüblichen chemischen Verbindungen in Ethanol – baut Polymere ab und Silber-Nanopartikel sinken auf den Boden der Lösung. Diese abgebauten Polymere können erneut verwendet werden, um neue funktionelle E-Skin herzustellen. Diese bei Raumtemperatur erreichbare Selbstheilung und Recyclingfähigkeit wird auf die chemische Bindung des verwendeten Polymers zurückgeführt. Der Vorteil des polymeren Netzwerks aus Polyimin besteht darin, dass es reversibel ist und gebrochen und recycelt werden kann, im Gegensatz zu den meisten herkömmlichen Thermostatmaterialien, die aufgrund der irreversiblen Bindungen innerhalb ihrer vernetzten polymeren Netzwerke weder umgeformt noch wiederaufbereitet oder recycelt werden können. Dies ist robuster als die menschliche Haut selbst und könnte eher als Ergänzung denn als Ersatz verwendet werden. Es ist auch angenehm zu berühren und fühlt sich fast wie echte Haut an, was es in Zukunft möglicherweise als Abdeckmittel von beispielsweise elektronischen Geräten verwenden könnte.
Die umweltfreundlichen und kostengünstigen Eigenschaften von E-Skin wurden gelobt und ein solcher E-Skin könnte Elektroschrott und Umweltbelastungen erheblich reduzieren und könnte bei Herstellern in verschiedenen Bereichen äußerst benutzerfreundlich und beliebt sein. Auch wenn es im Moment weit hergeholt klingen mag, könnte diese Wiederverwendungstechnologie in ähnlicher Weise auch auf alte Elektronikartikel angewendet werden. Tatsächlich tragen moderne Fitness-Tracker und Gesundheitsmonitore, sobald sie beschädigt sind, zu dem wachsenden Berg umweltbedingter Elektroschrott-Probleme bei. Die E-Skin könnten um unseren Hals oder an unseren Handgelenken getragen werden, sie könnten wie flexible Wearables oder temporäre Tattoos sein und wenn sie beschädigt werden, können sie recycelt und wiederverwendet werden. Da E-Skin flexibel ist, lässt es sich biegen und verdrehen und kann individuell an den Träger angepasst werden. Die Technologie eröffnet Möglichkeiten für intelligente Robotik bei dem eine so angenehm anzufühlende und angenehme elektronische Haut um den Körper eines Roboters oder einer künstlichen Gliedmaße gewickelt werden kann. Genauer gesagt kann eine Arm- oder Beinprothese, die in diese elektronische Haut gehüllt ist, es dem Träger aufgrund der darin integrierten Sensoren ermöglichen, auf Temperatur- und Druckänderungen zu reagieren. Die mit einer solchen E-Haut ausgestatteten Roboterarme oder -beine können dafür sorgen, dass die Roboter sanfter gegenüber Menschen agieren und sicherer und zuverlässiger agieren. Beispielsweise könnte E-Skin speziell an einen Roboter angepasst werden, der ein Baby oder einen gebrechlichen älteren Menschen handhabt, sodass der Roboter nicht zu viel Kraft aufwenden muss. Eine weitere Anwendung von E-Skin kann möglicherweise in gefährlichen Umgebungen oder bei Arbeitsplätzen mit hohem Risiko erfolgen. Es ist plausibel, dass diese Technologie mit virtuellen Knöpfen, Bedienelementen oder Türen verwendet werden könnte, die eine Bedienung ohne menschliche physische Interaktion ermöglichen würden, beispielsweise in der Sprengstoffindustrie oder anderen gefährlichen Arbeitsbereichen, und dass dieser E-Skin daher möglicherweise in der Lage wäre, die Chancen zu verringern jeglicher Personenschäden.
Hinzufügen von Display zu E-Skin
Ein Forscherteam der Universität Tokio hat kürzlich eine Anzeige hinzugefügt2(Mikro-LED) bis hin zu ultradünnen, pflasterähnlichen E-Skin-Pflastern, um die Anzeige verschiedener Anzeichen der Gesundheitsüberwachung in Echtzeit zu ermöglichen (z. B. die Messung des Glukosespiegels bei Menschen mit Diabetes oder die bewegte Wellenform eines Elektrokardiogramms eines Herzens). Vertrauen bei Patienten). Diese Patches verfügen über eine dehnbare Verkabelung und können sich daher je nach Bewegung des Trägers um bis zu 45 Prozent biegen oder dehnen. Diese gelten als das flexibelste und langlebigste Design der letzten Zeit. Das kontinuierliche Ablösen menschlicher Hautzellen könnte dazu führen, dass das Pflaster nach einigen Tagen abfällt, dies kann jedoch umgangen werden.
Diese von Professor Takao Someya geleitete Studie besagt, dass ein solches Display letztendlich dazu verwendet werden kann, medizinische Informationen nahtlos und einfach zu lesen und zu kommunizieren, nicht nur für Patienten, sondern auch für Familienmitglieder, Pflegepersonal und medizinisches Fachpersonal, entweder persönlich oder sogar aus der Ferne. Es würde auch Nachrichten empfangen. Ziel der Forscher ist es, die Zuverlässigkeit des Pflasters weiter zu verbessern, es kostengünstiger zu machen und seine Produktion für eine größere Reichweite rund um den Globus zu erhöhen. Ihr Ziel ist es, dieses Gerät bis Ende 2020 auf den Markt zu bringen.
Herausforderungen für die Zukunft
Die Entwicklung von e-skin ist eine sehr spannende neue Forschung, jedoch muss eine unserer grundlegenden Eigenschaften – Flexibilität und Dehnbarkeit – noch erfolgreich von e-skin erreicht werden. Die E-Skin ist weich, aber nicht so dehnbar wie die menschliche Haut. Nach Ansicht der Autoren ist das Material in seiner jetzigen Form auch nicht sehr gut reproduzierbar. Bei einem regenerierten/recycelten E-Skin-Gerät wurde im Vergleich zu einem neuen Modul eine leichte Verringerung der Gesamtsensorleistung festgestellt. Dies muss durch weitere Forschung vollständig angegangen werden. Die von E-Skins verwendeten Magnetfelder sind ebenfalls ziemlich hoch und müssen verkleinert werden. Derzeit wird das Gerät von einer externen Quelle mit Strom versorgt, was sehr unpraktisch ist, aber es sollte möglich sein, stattdessen wiederaufladbare kleine Batterien zu verwenden, um das Gerät mit Strom zu versorgen. Dr.Xiao und sein Team wollen dieses Produkt verfeinern und die Skalierungslösung verbessern, damit zumindest die wirtschaftlichen Hürden überwunden werden können und dieser E-Skin einfacher herzustellen und auf Robotern oder Prothesen oder medizinischen Geräten oder ähnlichem zu platzieren ist.
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{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}
Quelle (n)
1. Zou Z et al. 2018. Wiederheilbare, vollständig recycelbare und formbare elektronische Haut, die durch dynamisches kovalentes Duroplast-Nanokomposit ermöglicht wird. Wissenschaft Fortschritte. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508
2. Someya T. 2018. Kontinuierliche Gesundheitsüberwachung mit ultraflexiblen On-Skin-Sensoren. AAAS Annual Meeting Symposium, Austin, Texas, 17. Februar 2018.
