Syntetyczna skóra, którą można zastosować w wielu sytuacjach, w tym w protezie.

W mieście Graz, położonym po obu stronach rzeki Our w Austrii, czasami robi się tak zimno, że nie czujesz już czubków palców, a nawet palców. Tutaj, w laboratorium TU Graz, miejskiego uniwersytetu publicznego, na szalce Petriego znajduje się kawałek „sztucznej skóry”, czyli inteligentnej skóry, która według jej twórców jest nawet bardziej wrażliwa niż ludzki czubek palca.

Ponieważ świat coraz intensywniej poszukuje materiałów, które złagodzą obcy charakter urządzeń do noszenia i uczynią je bardziej podobnymi do ludzkich, oto ruch we właściwym kierunku, jeśli chodzi o przyszłość nauki o materiałach. W zeszłym roku Anna Maria Coclite i jej zespół naukowców z Instytutu Fizyki Ciała Stałego na Politechnice w Grazu (TU Graz) przedstawili wyniki swoich badań Europejskiej Radzie ds. Badań Naukowych, aby uzyskać finansowanie w ramach weryfikacji koncepcji dla swojego projektu „SmartCore ’.

Co to jest SmartCore? Dr Coclite i jej zespołowi udało się opracować materiał hybrydowy typu „inteligentna skóra” typu „trzy w jednym”, który bardzo przypomina ludzką skórę poprzez jednoczesne wykrywanie ciśnienia, wilgoci i temperatury oraz przekształcanie ich na sygnały elektroniczne. Dzięki 2000 indywidualnym czujnikom na milimetr kwadratowy materiał hybrydowy jest bardziej czuły niż czubek ludzkiego palca, co zapewnia mu reputację, a przy grubości 0,006 milimetra jest wielokrotnie cieńszy od ludzkiej skóry. Zespół argumentował, że reagując na te trzy ludzkie wrażenia zmysłowe, prototyp inteligentnej skóry przewyższa wszystkie dostępne dotychczas na rynku elektroniczne materiały skórne, które reagują jedynie na nacisk i temperaturę.

Doktor Coclite, solidna ekspertka w dziedzinie fizyki, nie tylko pracuje nad najnowocześniejszymi, pojawiającymi się technologiami, ale także potrafi wyjaśniać swoją naukę w łatwo zrozumiały sposób. W wywiadzie wideo z Ten hinduista, postanowiła rozszyfrować swój pomysł: „Sztuczne skóry to seria materiałów, które próbują naśladować funkcjonalność naszej skóry. Wiadomo, nasza ludzka skóra jest bardzo złożona, pełni wiele funkcji, nie tylko czuciowych, ale także termoregulacyjnych i ochronnych. Projekty sztucznej skóry starają się naśladować przynajmniej część funkcji. W naszym konkretnym przypadku skupiliśmy się na właściwościach sensorycznych. Staraliśmy się więc umieścić w naszym urządzeniu kilka czujników wilgotności, temperatury i ciśnienia. Aby pokazać to jak w ludzkiej skórze, można by było poczuć się tak, jakbyś dotykał czegoś zimniejszego lub cieplejszego. Podobnie również ta sztuczna skóra rozróżnia zimniejsze, cieplejsze obiekty, obiekty z kolcami, obiekty bez kolców i tak dalej.

Dalej: „Ludzka skóra ma rozdzielczość jednego milimetra kwadratowego. Oznacza to, że jeśli masz przedmiot o powierzchni jednego milimetra kwadratowego lub większego, możesz go wyczuć palcem. Dzięki urządzeniu, które wyprodukowaliśmy, byliśmy w stanie zmierzyć prąd elektryczny nawet z piksela o powierzchni 0,25 milimetra kwadratowego, czyli mniejszego niż jeden milimetr kwadratowy. Oznacza to więc, że można uzyskać informacje także na obszarach mniejszych niż ludzka skóra. W jaki sposób jest to korzystne? Po pierwsze, mogłoby to dać być może bardziej zintegrowaną reakcję i reakcję bardziej precyzyjną niż w skali ludzkiej. Można go także wykorzystać na przykład do wykrywania mniejszych obiektów.” Prace nad nim trwały lata. Choć prace nad projektem sztucznej skóry rozpoczęły się w 2016 roku wraz z otrzymaniem środków finansowych, „wcześniej pracowaliśmy nad materiałami, które zostały zastosowane w tego typu urządzeniach, np. jednym z materiałów jest inteligentny polimer, który zmienia grubość , w zależności od wilgotności i temperatury.”

Wszystko o materiałach

Co dosłownie stawia wszystko w rękach materiałów użytych do prototypu, są one podstawowymi składnikami całego procesu. Dr Coclite wyjaśnia: „Jednym z nich jest materiał piezoelektryczny, który po ściśnięciu lub rozciągnięciu generuje prąd elektryczny. Na przykład ten rodzaj materiału pozwala sztucznej skórze wyczuwać siłę lub nacisk. Drugim materiałem, który również ma tu ogromne znaczenie, jest inteligentny polimer, który zmienia grubość w zależności od wilgotności i temperatury, a w szczególności te dwa materiały zostały połączone w różnych nanoprętach. Czyli bardzo, bardzo, bardzo małe pręty, w których polimer jest w środku, a materiał piezoelektryczny na zewnątrz. Dzieje się tak, że gdy polimer rozszerza się pod wpływem zmiany temperatury lub wilgotności, wywiera nacisk na materiał piezoelektryczny, a następnie wytwarza prąd elektryczny.

Naturalnie inspiracja pochodzi z oryginału – ludzkiej skóry – ale także innych przykładów biomimetycznych, na przykład szyszek sosnowych czy liści roślin. One również wykazują tego rodzaju zmianę kształtu i grubości w zależności od wilgotności i temperatury. Zatem inteligentny polimer w pewnym sensie emuluje inne tego typu zjawiska w przyrodzie. Czy te materiały są biokompatybilne? „Chcieliśmy, aby materiały były biokompatybilne, ponieważ rozważaliśmy zastosowania w segmencie biomedycznym, do stosowania u ludzi. Aby stworzyć te czujniki, a zwłaszcza aby były tak małe, aby rozdzielczość mogła być niższa od rozdzielczości, do jakiej jest zdolna ludzka skóra, stosujemy precyzyjną technikę chemicznego osadzania z fazy gazowej, aby uzyskać doskonały produkt.

Bycie zrównoważonym

Dla tych, którzy również chcą pozostawić po sobie ślad odpadów i mieć pewność, że każdy projekt jest zrównoważony, kolejną zaletą, jaką zapewnia zespół Dr. Coclite, jest rozmiar. „Wszystkie czujniki, których używamy, są wykonane z cienkich warstw znacznie mniejszych niż jeden milimetr. Oznacza to, że ilość użytego materiału jest naprawdę niewielka. Dlatego też po tych materiałach nie pozostaje zbyt wiele śladu. Najgrubszą częścią tego całego urządzenia jest właściwie podłoże, w którym zastosowaliśmy folię plastikową, ale mogłaby to być również folia papierowa, która jest bardziej biodegradowalna. Można więc je wykonać z materiałów znacznie bardziej przyjaznych dla środowiska niż nasz pierwszy prototyp” – wyjaśnia dr Coclite.

Prawdziwe bio zastosowania

Po sukcesie prototypu i dzięki funduszom ERBN, które wytyczają dalszą drogę, dr Coclite i jej zespół mają nadzieję na dalsze badanie wpływu inteligentnej skóry na opiekę zdrowotną i robotykę. Jednym z obszarów praktycznych zastosowań, który naprawdę ekscytuje ją i zespół, jest protetyka. „Sztuczna skóra mogłaby pokryć protezę i pomóc pacjentowi po amputacji odzyskać czucie. Nie powiedziałbym więc, że miałoby to działanie terapeutyczne, ale można by je zastosować w jakimś wyrobie medycznym, na przykład w celu przywrócenia czucia osobom, które straciły kończynę”. Taka inteligentna proteza mogłaby powstać, gdyby naukowcom udało się zintegrować sygnały pochodzące z inteligentnej skóry z ludzkimi sieciami neuronowymi, ucząc mózg odczytywania tych nowych sygnałów. Obecnie na tym froncie badawczym dzieje się wiele pracy”.

Według Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) każdego roku około 200 000 osób ulega poważnym poparzeniom i cierpi na całkowitą utratę czucia w wyniku śmierci receptorów skórnych. Inteligentna skóra może działać jak „plaster”, który pomoże ofiarom poparzeń odzyskać czucie. Dla doktor Coclite to prawdopodobnie najlepsze, na co mogła liczyć. „Myślę, że rozwój zastosowań biomedycznych to obszar, który bardziej mnie interesuje. Ponieważ z mojego punktu widzenia byłoby naprawdę fajnie, gdyby jeden z moich projektów badawczych pomógł przywrócić czucie pacjentom, którzy je stracili lub rozwiązać prawdziwe problemy.”

Wśród projekcji inteligentna skóra mogłaby zostać wykorzystana także jako czujnik w inteligentnych zegarkach, gdy zostanie zaprogramowana do zbierania precyzyjnych informacji o stanie zdrowia pacjentów. W ten sposób można stale monitorować wilgotność skóry, wartość pH i temperaturę.

Bezprzewodowa praca

Uzbrojony w fundusze PoC naukowiec chce opracować bezprzewodowe połączenie elektronicznej skóry z systemem monitorowania w czasie rzeczywistym. Ma to na celu przesyłanie ważnych danych dotyczących temperatury, wilgotności i ciśnienia za pośrednictwem Bluetooth do aplikacji na smartfona, która może służyć do wyświetlania zarejestrowanych wrażeń zmysłowych. Jak mówi dr Coclite, głównym celem przeniesienia prototypu z laboratorium do miejsca pracy byłoby osiągnięcie pewnego rodzaju bezprzewodowej detekcji; obecny prototyp należy połączyć przewodami. Ma nadzieję, że to wzmocnienie prawdopodobnie nastąpi w ciągu najbliższych pięciu lat. Wskazuje również na inspirującą pracę wykonaną przez zespół ze Stanford, produkujący miękkie układy scalone, które przekształcają wyczuwalne ciśnienie lub temperaturę na sygnały elektryczne podobne do impulsów nerwowych wykorzystywanych do komunikacji z mózgiem. „Mimo że wykorzystują różne podejścia i różne materiały, pokazanie, jak sztuczna skóra może komunikować się z mózgiem, jest absolutnie inspirującą pracą. To daje nam nadzieję” – mówi.

Przedstawiając zadania stojące przed jej zespołem, twierdzi, że będzie polegać na optymalizacji prototypu, opracowaniu wykrywania bezprzewodowego i współpracy z firmami, które byłyby zainteresowane testowaniem tej aplikacji w czasie rzeczywistym, w rzeczywistych sytuacjach. „Jednocześnie będziemy nadal pracować nad tego typu materiałami responsywnymi i materiałami biomimetycznymi”.

„Myślę, że naprawdę dużo się tam dzieje. Dobrze byłoby też połączyć wszystkie te czujniki, czyli urządzenia do noszenia, z uczeniem się sztucznej inteligencji za pomocą uczących się algorytmów. Więc naprawdę, jak sądzę, w niedalekiej przyszłości będziemy, no wiesz, całkowicie podłączeni do czujników, które będą stale sprawdzać wszystkie nasze parametry życiowe. To nie jest odległa przyszłość” – mówi.

Realistyczna oś czasu

Ponadto, biorąc pod uwagę nieoczekiwany zwrot, jaki badania naukowe otrzymały po pandemii Covid, uważa, że ​​finansowanie badań ma kluczowe znaczenie. „Teraz jest oczywiste, że inwestowanie pieniędzy w badania może naprawdę przynieść korzyści szerszemu społeczeństwu, jeśli spojrzy się na rozwój szczepionek na Covid i to, jak szybko je otrzymaliśmy. Jasne jest, że jeśli finansuje się innowacje, to cały świat na tym zyskuje – mówi.

Kalendarium dr Coclite opiera się na optymizmie na przyszłość, ale także na jej wiedzy o tym, co dzieje się w segmencie urządzeń do noszenia, który jest praktycznie eksplozją pod względem badań w tej dziedzinie i licznych współpracy międzysektorowych napędzanych finansowaniem. Biorąc pod uwagę, jak daleko ona i jej zespół przebyły w nauce w stosunkowo krótkim czasie – mniej więcej przez ostatnie sześć lat – łatwo podzielać jej optymizm, pochodzący od osoby, która udowodniła, że ​​ma wyczucie sprawy.