'e-Skin' que imita la pell biològica i les seves funcions

El descobriment d'un nou tipus de "pell electrònica" mal·leable, autocurativa i completament reciclable té àmplies aplicacions en la vigilància de la salut, la robòtica, les pròtesis i els dispositius biomèdics millorats.

Un estudi publicat a Els avenços de la ciència mostra una nova pell electrònica (o simplement e-skin) que té multitud de propietats, com ara mal·leabilitat, autocuració i reciclabilitat total en comparació amb la humana. pell¹.La pell, el nostre òrgan més gran, és la coberta carnosa vista des de fora. La nostra pell és un òrgan molt versàtil que actua com un escut impermeable i aïllant i protegeix el nostre cos d'una varietat de perills o factors externs, per exemple, els danys solars. Algunes de les funcions de la pell són la regulació de la temperatura corporal, la protecció del cos de la ingesta de substàncies tòxiques i també l'excreció de substàncies tòxiques (juntament amb la suor), el suport mecànic i immunològic i la producció de les substàncies crucials. vitamina D que és molt important per als nostres ossos. La pell també és un sensor enorme amb amplis nervis per comunicar-se instantàniament amb el cervell.

Investigadors de tot el món han estat treballant en el desenvolupament de diferents tipus i mides de "wearable". e-skins' amb l'objectiu d'intentar imitar biològic pell i les seves diferents funcions. Hi ha una gran necessitat de dispositius flexibles i estirables per a una integració perfecta amb la pell humana suau i curvilínia. Nanoescala (10^-9m) els materials poden proporcionar la versatilitat mecànica i elèctrica requerida substituint el silici rígid que s'ha utilitzat abans. L'equip dirigit pel Dr. Jianliang Xiao de la Universitat de Colorado, Boulder, EUA ha desenvolupat amb èxit una pell electrònica artificial (e-skin) amb l'objectiu de traduir el tacte sensorial de la pell humana a robots i pròtesis. Aquest intent va en la direcció de tenir una tecnologia "portable" en el futur que tindria un gran potencial i valor en els camps mèdic, científic i d'enginyeria.

E-skin: autocurativa i reciclable

La pell electrònica és un material prim i translúcid que té una novel · la tipus de xarxa de polímers dinàmics enllaçats covalentment, anomenada poliimina, que està lligada amb nanopartícules de plata per millorar la resistència mecànica, l'estabilitat química i la conductivitat elèctrica. Aquesta e-skin també té sensors integrats per mesurar la pressió, la temperatura, la humitat i el flux d'aire. Aquesta e-skin es considera notable perquè s'ha incorporat amb moltes característiques que la converteixen en una imitació molt més propera de la pell humana. És altament mal·leable i es pot col·locar fàcilment sobre superfícies corbes (per exemple, braços i cames humanes, mans robòtiques) aplicant-hi calor i pressió moderades sense introduir tensions excessives. Té propietats d'autocuració increïbles on, davant qualsevol tall o dany causat per una circumstància externa, l'e-skin recrea els enllaços químics entre els dos costats separats restaurant la matriu per a la seva funcionalitat adequada i tornant al seu estat d'unió original.

Si aquesta e-skin es torna inutilitzable per qualsevol circumstància, es pot reciclar completament i convertir-la en una nova e-skin col·locant-la en una solució de reciclatge que "liquifiqui" el material e-skin existent i el converteixi en un " nova e-skin. Aquesta solució de reciclatge, una barreja de tres compostos químics disponibles comercialment en etanol, degrada els polímers i les nanopartícules de plata s'enfonsen al fons de la solució. Aquests polímers degradats es poden utilitzar de nou per fer una nova e-skin funcional. Aquesta autocuració i reciclabilitat que es pot aconseguir a temperatura ambient s'atribueix a l'enllaç químic del polímer utilitzat. L'avantatge de la xarxa polimèrica de la poliimina és que és reversible i es pot trencar i reciclar a diferència de la majoria dels materials de termòstat convencionals que no es poden remodelar, reprocessar o reciclar a causa dels enllaços irreversibles dins de les seves xarxes polimèriques reticulats. Això és més robust que la pròpia pell humana i es podria utilitzar com a millora en lloc de substitució. També és agradable de tocar i se sent gairebé com una pell real, que podria convertir-se en un agent de cobertura en el futur, per exemple, els dispositius electrònics.

Les propietats ecològiques i de baix cost de l'e-skin han estat aclamades i aquesta e-skin podria reduir en gran mesura els residus electrònics i l'impacte ambiental i podria ser altament utilitzable i popular entre els fabricants de diferents camps. Tot i que de moment pot semblar descabellat, aquesta tecnologia de reutilització també es podria aplicar de manera similar als articles electrònics antics. De fet, els monitors d'aptitud i els monitors de salut moderns un cop danyats s'afegeixen a la creixent muntanya de problemes ambientals relacionats amb la composició de residus electrònics. L'e-skin es pot portar al coll o als nostres canells i aquests podrien ser com peces de vestir flexibles o tatuatges temporals i sempre que es facin malbé es poden reciclar i reutilitzar. Com que l'e-skin és flexible, es pot doblegar i torçar i es pot personalitzar segons l'usuari. La tecnologia obre vies per a la intel·ligència robòtica en la qual una pell electrònica tan agradable de sentir i còmoda es pot embolicar al voltant del cos d'un robot o una extremitat artificial. Per elaborar-ho, una pròtesi de braç o cama que s'embolica en aquesta pell electrònica pot permetre que l'usuari respongui als canvis de temperatura i pressió a causa dels múltiples sensors incorporats. Els braços o cames robòtics equipats amb una pell electrònica d'aquest tipus poden fer que els robots actuïn amb més delicadesa cap als humans i siguin més segurs i fiables. Per exemple, e-skin es podria adaptar específicament a un robot que maneja un nadó o una persona gran fràgil i, per tant, el robot no aplicarà massa força. Una altra aplicació d'e-skin pot ser potencialment en entorns perillosos o treballs d'alt risc. És plausible que aquesta tecnologia es pugui utilitzar amb botons, controls o portes virtuals que permetrien qualsevol operació sense interacció física humana, per exemple en la indústria d'explosius o altres línies de treball perilloses, i per tant aquesta e-skin potser podria disminuir les possibilitats. de qualsevol lesió humana.

Afegeix una pantalla a e-skin

Un equip d'investigadors de la Universitat de Tòquio ha afegit recentment una pantalla²(micro-LED) a pegats ultrafins d'estil de banda electrònica per permetre la visualització de diferents signes de control de la salut en temps real (per exemple, mesurar els nivells de glucosa en persones amb diabetis o la forma d'ona mòbil d'un electrocardiograma d'un cor). pacient). Aquests pegats tenen un cablejat extensible i, per tant, es poden doblegar o estirar fins a un 45% segons el moviment de l'usuari. Es considera que tenen el disseny més flexible i durador dels últims temps. L'eliminació contínua de cèl·lules de la pell humana podria significar que el pegat podria caure després d'uns dies, però això es pot solucionar.

Aquest estudi, dirigit pel professor Takao Someya afirma que aquesta pantalla es pot utilitzar eventualment per permetre la lectura i la comunicació d'informació mèdica d'una manera perfecta i senzilla no només per als pacients, sinó també per als familiars, els cuidadors i els professionals de la salut, ja sigui en persona o fins i tot. a distància. També rebria missatges. Els investigadors pretenen millorar encara més la fiabilitat del pegat, fer-lo més rendible i també augmentar la seva producció per a un abast més ampli a tot el món. El seu objectiu és llançar aquest dispositiu al mercat a finals de 2020.

Desafiaments per davant

El desenvolupament d'e-skin és una nova investigació molt emocionant, però, una de les propietats fonamentals de la nostra -la flexibilitat i la capacitat d'estirament- encara no s'ha aconseguit amb èxit per e-skin. L'e-skin és suau però no tan elàstica com la pell humana. Segons els autors, tal com està el material tampoc és molt fàcilment reproduïble. Es va observar una lleugera reducció del rendiment global de detecció en un dispositiu de pell electrònica curat/reciclat en comparació amb un mòdul nou, això s'ha d'abordar completament amb més investigacions. Els camps magnètics utilitzats per e-skins també són bastant alts i s'han de reduir. Actualment, el dispositiu s'alimenta des d'una font externa, cosa que és molt poc pràctic, però hauria de ser possible disposar de bateries petites i recarregables per alimentar el dispositiu. El Dr.Xiao i el seu equip volen perfeccionar aquest producte i millorar la solució d'escala perquè almenys es puguin superar els obstacles econòmics i aquesta pell electrònica hauria de ser més fàcil de fabricar i col·locar en robots o pròtesis o dispositius mèdics o qualsevol altra cosa.

***

Font (s)

1. Zou Z et al. 2018. Pell electrònica recuperable, totalment reciclable i mal·leable habilitada per nanocomposite termoestables covalent dinàmic. Els avenços de la ciència. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508

2. Someya T. 2018. Seguiment continu de la salut amb sensors ultraflexibles a la pell. Simposi de la reunió anual de l'AAAS, Austin, Texas, 17 de febrer de 2018. https://aaas.confex.com/aaas/2018/meetingapp.cgi/Paper/20827

3. Yokota T. et al. Pell fotònica orgànica ultraflexible. SCIENCE ADVANCES. 15 d'abril de 2016. Vol. 2, número 4. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.1501856

***