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'e-Skin', das die biologische Haut und ihre Funktionen nachahmt

INGENIEURWISSENSCHAFTEN'e-Skin', das die biologische Haut und ihre Funktionen nachahmt

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 starker Bedarf an flexiblen und dehnbaren Geräten für eine nahtlose Integration mit weichen und krummlinigen menschliche Haut. Nanoskala (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 einem neuartigen kovalent gebundenen dynamischen Polymernetzwerk namens Polyimin, das mit Silbernanopartikeln für verbesserte mechanische Festigkeit, chemische Stabilität und elektrische Leitfähigkeit versetzt ist. In diese E-Skin sind auch Sensoren eingebettet, die Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftströmung messen. Diese E-Skin gilt als bemerkenswert, da sie mit vielen Funktionen ausgestattet wurde, die sie der menschlichen Haut extrem nachahmen. Es ist sehr formbar und lässt sich durch mäßige Hitze und Druck leicht und ohne übermäßige Belastung auf gekrümmte Oberflächen (zB menschliche Arme und Beine, Roboterhände) aufsetzen. Es hat erstaunliche selbstheilende Eigenschaften, wobei die E-Skin bei jedem Schnitt oder Schaden, der durch äußere Umstände verursacht wird, die chemischen Bindungen zwischen den beiden getrennten Seiten wiederherstellt, die Matrix für ihre ordnungsgemäße Funktionalität wiederherstellt und in ihren ursprünglichen gebundenen Zustand 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 gefeiert, und solche E-Skins könnten den Elektroschrott und die Umweltbelastung erheblich reduzieren und könnten bei Herstellern in verschiedenen Bereichen sehr nützlich und beliebt sein. Auch wenn es im Moment weit hergeholt klingen mag, könnte diese Wiederverwendungstechnologie auch auf alte Elektronikartikel angewendet werden. Tatsächlich tragen moderne Fitness-Tracker und Gesundheitsmonitore, wenn sie einmal beschädigt wurden, zu dem wachsenden Berg von umweltbedingten Problemen bei, die Elektroschrott verursachen. Der E-Skin könnte um unseren Hals oder an unseren Handgelenken getragen werden und diese könnten wie flexible Wearables oder temporäre Tattoos sein und wenn sie beschädigt werden, können sie recycelt und wiederverwendet werden. Da e-skin flexibel ist, kann es gebogen und verdreht werden und kann individuell an den Träger angepasst werden. Die Technologie eröffnet Wege für eine intelligente Robotik, bei der eine so angenehm haptische und bequeme elektronische Haut um den Körper eines Roboters oder einer Prothese gewickelt werden kann. Genauer gesagt kann eine Arm- oder Beinprothese, die in diese elektronische Haut gehüllt ist, es dem Träger ermöglichen, auf Temperatur- und Druckänderungen aufgrund der mehreren darin integrierten Sensoren zu reagieren. Die mit einem solchen E-Skin ausgestatteten Roboterarme oder -beine können dazu führen, dass die Roboter gegenüber Menschen feinfühliger und sicherer und zuverlässiger sind. E-Skin könnte zum Beispiel speziell an einen Roboter angepasst werden, der ein Baby oder eine gebrechliche ältere Person handhabt, und somit wird der Roboter nicht zu viel Kraft aufwenden. Eine andere Anwendung von E-Skin kann potenziell in gefährlichen Umgebungen oder bei Jobs mit hohem Risiko sein. Es ist plausibel, dass diese Technologie mit virtuellen Knöpfen, Bedienelementen oder Türen verwendet werden könnte, die jede Bedienung ohne menschliche physische Interaktion ermöglichen würden, beispielsweise in der Sprengstoffindustrie oder anderen gefährlichen Arbeitsbereichen, und somit könnte dieser E-Skin die Chancen möglicherweise verringern jeglicher menschlicher Verletzung.

Hinzufügen von Display zu E-Skin

Ein Forscherteam der Universität Tokio hat kürzlich eine Anzeige hinzugefügt2(Mikro-LED) bis hin zu ultradünnen, pflasterartigen E-Skin-Pflastern, um verschiedene Anzeichen der Gesundheitsüberwachung in Echtzeit anzuzeigen (z. B. die Messung des Glukosespiegels bei Menschen mit Diabetes oder die bewegte Wellenform eines Elektrokardiogramms eines Herzpatienten). Diese Patches haben eine dehnbare Verdrahtung und können sich somit 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 von menschlichen Hautzellen könnte dazu führen, dass das Pflaster nach einigen Tagen abfällt, aber dies kann 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.

***

{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 Fortschrittehttps://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.

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