'e-Skin' déi d'biologesch Haut a seng Funktiounen mimikéiert

D'Entdeckung vun enger neier Zort vu mëllbaren, selbstheilenden a komplett recycléierbaren "elektronescher Haut" huet breet Uwendungen an der Gesondheetsmonitoréierung, Robotik, Prothetik a verbesserte biomedizineschen Apparater.

Eng Etude déi publizéiert gëtt Science Advances weist eng nei elektronesch Haut (oder einfach e-Skin) déi vill Eegeschaften huet, dorënner Mëssbrauch, Selbstheilung a voller Verwäertbarkeet am Verglach zum Mënsch Haut¹.D'Haut, eist gréissten Uergel, ass d'fleesch Deckung, wa se vu baussen gesi gëtt. Eis Haut ass en héich versatile Organ dat als waasserdicht, isoléierend Schëld wierkt an eise Kierper vu ville externe Geforen oder Faktoren schützt, zB Sonneschued. E puer vun de Funktiounen vun der Haut ass d'Reguléierung vun der Kierpertemperatur, de Schutz vum Kierper géint d'Intake vun gëftege Substanzen an och d'Ausscheedung vun gëftege Substanzen (zesumme mam Schweess), mechanesch an immunologesch Ënnerstëtzung a Produktioun vun entscheedende Substanzen. Vitamin D wat fir eis Schanken ganz wichteg ass. Haut ass och e risege Sensor mat genuch Nerven fir direkt mam Gehir ze kommunizéieren.

Fuerscher weltwäit hunn un der Entwécklung vun verschiddenen Zorten a Gréissten vun 'wearable geschafft e-Skins' mam Zil ze probéieren ze mimikéieren biologesch Haut a seng verschidde Funktiounen. Et gëtt e staarke Bedierfnes fir flexibel an stretchbar Geräter fir eng nahtlos Integratioun mat mëller a curvilinearer mënschlecher Haut. Nanoskala (10^-9m) Materialien kënnen déi erfuerderlech mechanesch an elektresch Villsäitegkeet ubidden, déi de steife Silizium ersetzen, deen normalerweis virdru benotzt gouf. D'Team gefouert vum Dr Jianliang Xiao op der University of Colorado, Boulder, USA huet erfollegräich eng kënschtlech elektronesch Haut (e-Skin) entwéckelt mam Zil fir sensoresch Touch vun der mënschlecher Haut op Roboteren a Prothetik ze iwwersetzen. Dëse Versuch ass a Richtung eng "wearable" Technologie an Zukunft ze hunn, déi enorm Potenzial a Wäert a medizinesche, wëssenschaftlechen an Ingenieursberäicher hätt.

E-Skin: Selbstheilung a recycléierbar

E-Skin ass en dënn, transluzent Material mat engem Roman Typ vu kovalent gebonnen dynamesche Polymernetz, genannt Polyimin, dat mat Sëlwer Nanopartikele fir eng verbessert mechanesch Kraaft, chemesch Stabilitéit an elektresch Konduktivitéit geschnidden ass. Dës E-Skin huet och Sensoren agebaut fir Drock, Temperatur, Fiichtegkeet a Loftfloss ze moossen. Dës E-Skin gëtt als bemierkenswäert ugesinn well se mat villen Features agebaut gouf, déi et zu enger extrem noer Mimik vun der mënschlecher Haut maachen. Et ass héich formbar a kann einfach op kromme Flächen gesat ginn (zB mënschlechen Äerm a Been, Roboter Hänn) andeems se moderéiert Hëtzt an Drock applizéiert ouni exzessiv Stress anzeféieren. Et huet erstaunlech Selbstheilungseigenschaften, woubäi op all Schnëtt oder Schued, deen duerch en externen Ëmstänn verursaacht gëtt, d'E-Haut déi chemesch Verbindungen tëscht den zwou getrennte Säiten nei erstellt, d'Matrix fir seng korrekt Funktionalitéit ze restauréieren an zréck an säin ursprénglechen gebonnenen Zoustand.

Wann dës E-Skin aus iergendengem Ëmstänn onbrauchbar gëtt, kann se komplett recycléiert ginn an an eng fuschneie E-Skin ëmgewandelt ginn andeems se se an eng Recyclingsléisung plazéiert, déi dat existent E-Skin-Material "flësseg" an et an e " nei" e-Skin. Dës Recyclingsléisung - eng Mëschung aus dräi kommerziell verfügbare chemesche Verbindungen an Ethanol - degradéiert Polymere a Sëlwer Nanopartikel ënnerzegoen um Enn vun der Léisung. Dës degradéiert Polymere kënnen nei benotzt ginn fir nei funktionell E-Skin ze maachen. Dës Selbstheilung a Verwäertbarkeet, déi bei Raumtemperatur erreechbar ass, gëtt un der chemescher Bindung vum benotzte Polymer zougeschriwwen. De Virdeel vum polymeresche Netz vu Polyimine ass datt et reversibel ass a ka gebrach a recycléiert ginn am Géigesaz zu de meescht konventionellen Thermostatmaterialien, déi weder ëmgeformt oder nei veraarbecht oder recycléiert kënne ginn wéinst den irreversiblen Bindungen an hire vernetzten polymeren Netzwierker. Dëst ass méi robust wéi d'mënschlech Haut selwer an et kéint als Verbesserung dofir benotzt ginn anstatt Ersatz. Et ass och agreabel ze beréieren a fillt sech bal wéi richteg Haut, déi et méiglecherweis als Ofdeckungsagent an der Zukunft ka maachen, zum Beispill elektronesch Geräter.

Öko-frëndlech a bëlleg Eegeschafte vun der E-Skin goufen begréisst an esou E-Skin kéint den elektroneschen Offall an den Ëmweltimpakt staark reduzéieren a kéint héich benotzbar a populär bei Hiersteller a verschiddene Felder sinn. Och wann et am Moment wäit ewech kléngt, kann dës Wiederverwendungstechnologie och ähnlech op al Elektronikartikele applizéiert ginn. Tatsächlech, modernen Dag Fitness Tracker a Gesondheetsmonitore, déi eemol beschiedegt sinn, fügen de wuessende Bierg vun E-Offall zesummegesate Ëmweltproblemer bäi. D'E-Skin kéint ëm den Hals oder op eise Handgelenk gedroe ginn an dës kéinte wéi flexibel wearables oder temporär Tattooen sinn a wa se beschiedegt ginn, kënne se recycléiert a weiderbenotzt ginn. Well e-Skin flexibel ass, kann se gebéit a verdreift ginn a ka personaliséiert ginn no dem Träger. D'Technologie mécht Weeër fir intelligent op nächst Joer an där sou eng agreabel ze fillen a komfortabel elektronesch Haut kann ëm de Kierper vun engem Roboter oder engem kënschtlechen Glied gewéckelt ginn. Fir auszebauen, e prothetesch Aarm oder Been, deen an dëser elektronescher Haut gewéckelt ass, kann den Träger erlaben op Temperatur- an Drockverännerungen z'äntwerten wéinst de multiple Sensoren, déi dran agebaut sinn. D'Robotik Äerm oder Been, déi mat sou enger E-Skin ausgestatt sinn, kënnen d'Robotere méi delikat vis-à-vis vun de Mënschen handelen a méi sécher an zouverlässeg sinn. Zum Beispill, E-Skin kéint speziell op e Roboter gepasst ginn, deen e Puppelchen oder e fragilen eelere behandelt, an domat wäert de Roboter net ze vill Kraaft applizéieren. Eng aner Uwendung vun E-Skin kann potenziell a geféierlechen Ëmfeld oder héich-Risiko Aarbechtsplazen sinn. Et ass plausibel datt dës Technologie mat virtuelle Knäppercher, Kontrollen oder Dieren benotzt ka ginn, déi all Operatioun ouni mënschlech kierperlech Interaktioun erméiglechen, zum Beispill an der Sprengstoffindustrie oder aner geféierlech Aarbechtslinnen, an domat kann dës E-Skin d'Chancen reduzéieren vun all Mënsch Verletzung.

Füügt Display op E-Skin

E Team vu Fuerscher vun der University of Tokyo huet viru kuerzem e Display bäigefüügt²(Mikro-LED) bis ultradënn, Band-Hëllef-Stil E-Hautflecken fir d'Display vu verschiddenen Zeeche vun der Gesondheetsiwwerwaachung an Echtzäit z'erméiglechen (zB Miessunge vu Glukosniveauen bei Leit mat Diabetis oder déi bewegend Welleform vun engem Elektrokardiogramm vun engem Häerz Patient). Dës Flecken hunn e stretchbare Verdrahtung a kënne sech also op bis zu 45 Präsent béien oder strecken op Basis vun der Bewegung vum Träger. Dës ginn ugesinn als dee flexibelsten an haltbarsten Design a leschter Zäit. De kontinuéierleche Verloscht vu mënschlechen Hautzellen kéint bedeiten datt de Fleck no e puer Deeg ofgefall ass, awer dëst kann ëmgedréit ginn.

Dës Etude, gefouert vum Professer Takao Someya seet datt esou en Affichage schlussendlech ka benotzt ginn fir medizinesch Informatioun op eng nahtlos an einfach Manéier ze liesen an ze kommunizéieren net nëmme fir Patienten, awer och fir Familljememberen, Betreiber a Gesondheetsspezialisten entweder perséinlech oder souguer wäit ewech. Et géif och Messagen kréien. D'Fuerscher zielen d'Zouverlässegkeet vum Patch weider ze verbesseren, et méi kosteneffektiv ze maachen an och seng Produktioun fir eng méi breet Erreeche ronderëm de Globus ze erhéijen. Hir Zil ass dëst Apparat um Maart bis Enn 2020 ze lancéieren.

Erausfuerderunge virun

D'Entwécklung vun der E-Skin ass eng ganz spannend nei Fuerschung, awer ee vun de fundamentale Eegeschafte vun eisem - Flexibilitéit a Stretchfäegkeet - ass nach mat E-Skin erfollegräich erreecht. D'E-Skin ass mëll awer net sou stretchy wéi mënschlech Haut. Laut den Auteuren ass d'Material wéi et heescht och net ganz liicht reproduzéierbar. Eng liicht Reduktioun vun der Gesamt Sensing Performance an engem rehealed / recycléierten E-Skin Apparat gouf am Verglach zu engem frësche Modul gesinn, dëst muss voll mat weider Fuerschung adresséiert ginn. D'Magnéitfelder, déi vun E-Skins benotzt ginn, sinn och zimlech héich a musse reduzéiert ginn. De Moment gëtt den Apparat vun enger externer Quell ugedriwwen, déi ganz onpraktesch ass, awer et sollt méiglech sinn nofëllbar, kleng Batterien ze hunn fir den Apparat amplaz ze dréinen. Dr.Xiao a seng Equipe wëllen dëst Produkt ze raffinéieren an d'Skaléierungsléisung verbesseren, sou datt op d'mannst déi wirtschaftlech Hürden iwwerschratt ginn an dës E-Skin soll méi einfach sinn ze fabrizéieren an op Roboter oder Prothetik oder medizinesch Geräter oder soss eppes ze placéieren.

***

Source (en)

1. Zou Z et al. 2018. Rehealable, voll recycléierbar, a formbar elektronesch Haut aktivéiert duerch dynamesch kovalent thermoset Nanokomposit. Science Advances. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508

2. Someya T. 2018. Kontinuéierlech Gesondheet-Iwwerwaachung mat Ultraflexible On-Skin Sensoren. AAAS Annual Meeting Symposium, Austin, Texas, 17. Februar 2018. https://aaas.confex.com/aaas/2018/meetingapp.cgi/Paper/20827

3. Yokota T. et al. Ultraflexibel organesch photonesch Haut. WISSENSCHAFTLECH FORTSCHRËTT. 15. Abrëll 2016. Vol 2, Ausgab 4. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.1501856

***