Stanford Universitiy
Enoslojni, večplastni, mehki in raztegljivi material, z vgrajeno živcem podobno elektroniko, lahko zaznava pritisk, temperaturo, obremenitev in drugo, tako kot prava koža.
Mehanoreceptorji v človeški koži zaznavajo nežno težo metulja, čutijo toploto bližnjega plamena ali hladno pijačo, razumejo, ali je roka dvignjena v pest ali znak miru, in z nežnim dotikom preštejejo utrip ljubljene osebe. Inženirji, ki si želijo ustvariti umetno elektronsko kožo, so doslej uspeli izdelati mehke, prožne materiale, ki posnemajo vsakega od teh izjemnih čutil, vendar še nikoli niso ustvarili niti ene same plasti s koži podobnimi materiali, ki bi se lahko neposredno pogovarjal z možgani – do zdaj. Medtem ko so prejšnja prizadevanja zahtevala togo elektroniko za pretvorbo zaznanega signala v električne impulze, ki jih lahko možgani preberejo, so raziskovalci na Univerzi Stanford izdelali mehka integrirana vezja, ki zaznani tlak ali temperaturo pretvorijo v električne signale, podobne živčnim impulzom za komunikacijo z možgani. Raziskovalci upajo, da bodo nekoč te signale lahko usmerili v implantirane brezžične komunikacijske čipe v perifernem živčevju, ki bodo amputirancem omogočali upravljanje protez. Druge možne uporabe bi lahko vključevale nove medicinske pripomočke, ki jih je mogoče vsaditi ali nositi.
„Že nekaj časa delamo na monolitni e-koži. Ovira ni bila toliko iskanje mehanizmov za posnemanje izjemnih senzoričnih sposobnosti človeškega dotika, temveč njihovo združevanje z uporabo le koži podobnih materialov,“ je povedal Zhenan Bao, profesor kemijskega inženirstva na K.K. Lee in glavni avtor študije, objavljene v reviji Science. „Velik del tega izziva je bil povezan z izboljšanjem koži podobnih elektronskih materialov, da bi jih bilo mogoče vključiti v integrirana vezja, ki bi bila dovolj zapletena za ustvarjanje živcem podobnih impulzov in dovolj nizke delovne napetosti, da bi jih bilo mogoče varno uporabljati na človeškem telesu,“ je povedal Weichen Wang, doktorski kandidat v Baovem laboratoriju, ki je tudi prvi avtor članka. Wang se s tem prototipom ukvarja že tri leta.
Plasti tehnologije
Cilj je bil mehko integrirano vezje, ki bi lahko posnemalo mehanizem senzoričnih receptorjev in učinkovito delovalo pri nizki napetosti. Na žalost so Wangovi prvi poskusi zahtevali 30 ali več voltov in niso mogli uresničiti dovolj funkcionalnosti vezja. „Ta nova e-koža deluje pri samo 5 voltih in lahko zazna dražljaje podobno kot prava koža,“ je dejal. Umetna koža bo ključnega pomena za protetične okončine nove dobe, ki ne bodo le obnovile gibanja in funkcij, kot je prijemanje, temveč bodo zagotavljale tudi povratne senzorične informacije (propriocepcijo), ki uporabniku pomagajo natančno upravljati napravo. Ne le to, tudi sam material senzorične kože se mora vedno znova raztegniti in vrniti v prvotni položaj, pri čemer nikoli ne sme izgubiti svojih električnih lastnosti, podobnih živcem. Ekipa je iznašla trislojno dielektrično strukturo, ki je v primerjavi z enoslojnim dielektrikom 30-krat povečala mobilnost nosilcev električnega naboja, kar je vezjem omogočilo delovanje pri nizki napetosti. Zanimivo je, da je ena od plasti v trisloju nitril, ista guma, ki se uporablja v kirurških rokavicah. Večina e-kože je izdelana iz več plasti koži podobnih materialov. V vsako plast so integrirane mreže organskih nanostruktur, ki prenašajo električne signale, tudi če so raztegnjene. Te mreže je mogoče oblikovati tako, da zaznavajo pritisk, temperaturo, napetost in kemikalije.
Vsak čutni vnos ima svoje integrirano vezje. Nato je treba vse različne senzorične plasti združiti v en sam monolitni material, ki se ne razslojuje, ne raztrga in ne izgubi električnega delovanja. Vsaka elektronska plast je debela le nekaj deset do sto nanometrov, končni material približno pol ducata plasti pa je manjši od enega mikrona. „Vendar je ta dejansko pretanka, da bi jo lahko zlahka prenašali, zato jo podpremo s substratom, zaradi česar je naša e-koža debela približno 25-50 mikronov – približno toliko kot list papirja,“ je dejal Bao. „Debelina je podobna debelini zunanjega sloja človeške kože.“
Napredki naslednje generacije
Sistem je prvi, ki združuje zaznavanje ter vse želene električne in mehanske lastnosti človeške kože v mehki in trpežni obliki, ki bi jo lahko uporabili v naslednji generaciji protetičnih kož in inovativnih vmesnikih človek-stroj za zagotavljanje človeku podobnega občutka dotika. Bao, Wang in ekipa so dokončali prototip in se zdaj lotili povečanja kompleksnosti in razširljivosti svoje tehnologije, dodajanja brezžičnih funkcij ter načinov povezovanja z možgani in perifernimi deli telesa.
Povzeto po:
https://news.stanford.edu/2023/05/18/soft-e-skin-talks-brain/
