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模仿生物皮肤及其功能的“电子皮肤”

一种具有延展性、自愈性和完全可回收性的新型“电子皮肤”的发现在健康监测、机器人、假肢和改进的生物医学设备方面具有广泛的应用。

在发表的一项研究 科学进展 展示了一种新的电子皮肤(或简称为电子皮肤),与人类相比,它具有多种特性,包括延展性、自愈性和完全可回收性 皮肤1.皮肤,我们最大的器官,从外面看是肉质的覆盖物。 我们的皮肤是一种用途广泛的器官,可作为防水、绝缘的屏障,保护我们的身体免受各种外部危险或因素的影响,例如阳光的伤害。 皮肤的一些功能是调节体温,保护身体免受有毒物质的摄入和有毒物质的排泄(连同汗水),机械和免疫支持以及关键的产生 维生素D 这对我们的骨骼非常重要。 皮肤也是一个巨大的传感器,拥有充足的神经,可以立即与大脑进行交流。

世界各地的研究人员一直致力于开发不同类型和尺寸的“可穿戴设备” 电子皮肤' 目的是试图模仿 生物 皮肤及其各种功能。迫切需要灵活且可拉伸的设备,以与柔软且曲线形的人体皮肤无缝集成。纳米级(10-9m) 材料可以提供所需的机械和电气多功能性,取代以前通常使用的刚性硅。 美国科罗拉多大学肖建良博士领导的团队成功开发了一种人造电子皮肤(e-skin),目标是将人体皮肤的感官触觉转化为机器人和假肢。 这种尝试是朝着未来拥有“可穿戴”技术的方向发展,该技术在医疗、科学和工程领域具有巨大的潜力和价值。

电子皮肤:自愈和可回收

电子皮肤是一种薄的半透明材料,具有 小说 一种称为聚亚胺的共价键合动态聚合物网络,它与银纳米粒子结合在一起,以提高机械强度、化学稳定性和导电性。这种电子皮肤还嵌入了传感器来测量压力、温度、湿度和气流。这种电子皮肤被认为是非凡的,因为它融入了许多功能,使其非常接近人类皮肤的模仿。它具有高度延展性,可以通过对其施加适度的热量和压力而轻松地设置在弯曲表面(例如人的手臂和腿、机器人手)上,而不会引入过大的应力。它具有惊人的自愈特性,其中在外部环境造成的任何割伤或损坏时,电子皮肤会在两个分离的侧面之间重新创建化学键,从而恢复基质的适当功能并恢复到其原始的结合状态。

如果该电子皮肤因任何情况而无法使用,则可以将其完全回收并通过将其放入可“液化”现有电子皮肤材料并将其变成“新”电子皮肤。 这种回收溶液——三种市售化合物在乙醇中的混合物——降解聚合物,银纳米颗粒沉入溶液底部。 这些降解的聚合物可以重新用于制造新的功能性电子皮肤。 这种在室温下可实现的自修复和可回收性归因于所用聚合物的化学键合。 聚亚胺聚合物网络的优点是它是可逆的,可以被破坏和回收,不像大多数传统恒温材料,因为它们交联的聚合物网络中的不可逆键,既不能重新成型,也不能再加工或回收。 这比人类皮肤本身更坚固,它可以用作它的增强而不是替代。 触摸起来也很愉快,感觉几乎就像真皮肤一样,将来可能会使其成为电子设备的覆盖剂。

电子皮肤的环保和低成本特性备受赞誉,这种电子皮肤可以大大减少电子废物和环境影响,并且具有很高的可用性并受到不同领域制造商的欢迎。尽管目前听起来有些牵强,但这种重复利用技术也可以类似地应用于旧电子产品。事实上,现代健身追踪器和健康监测器一旦损坏,就会导致电子垃圾堆积如山,加剧与环境相关的问题。电子皮肤可以戴在我们的脖子上或手腕上,就像灵活的可穿戴设备或临时纹身一样,只要它们损坏,就可以回收和重复使用。由于电子皮肤具有柔性,因此可以弯曲和扭曲,并且可以根据佩戴者进行定制。该技术为智能化开辟了道路 机器人 这种手感舒适的电子皮肤可以包裹在机器人或假肢的身体上。详细地说,包裹在电子皮肤中的假肢手臂或腿可以让佩戴者对温度和压力变化做出反应,因为其中集成了多个传感器。装有这种电子皮肤的机器人手臂或腿可以使机器人对人类的行为更加细腻,并且更加安全可靠。例如,电子皮肤可以专门安装在处理婴儿或脆弱老人的机器人上,这样机器人就不会施加太大的力。电子皮肤的另一个应用可能是危险环境或高风险工作。这项技术似乎可以与虚拟按钮、控件或门一起使用,从而无需人类物理交互即可进行任何操作,例如在爆炸物行业或其他危险的工作领域,因此这种电子皮肤也许能够减少危险的机会任何人身伤害。

将显示添加到电子皮肤

东京大学的一组研究人员最近添加了一个显示器2(微型 LED)到超薄创可贴式电子皮肤贴片,可实时显示健康监测的不同迹象(例如测量糖尿病患者的血糖水平或心脏心电图的移动波形) 病人)。这些贴片具有可拉伸的布线,因此可以根据佩戴者的运动弯曲或拉伸高达 45%。这些被认为具有近年来最灵活和耐用的设计。人体皮肤细胞的不断脱落可能意味着几天后贴片可能会脱落,但这是可以解决的。

这项由染谷隆雄教授领导的研究表明,这种显示器最终可用于以无缝和简单的方式阅读和交流医疗信息,不仅适用于患者,也适用于家人、护理人员和卫生专业人员,无论是亲自还是什至远程。 它也会接收消息。 研究人员的目标是进一步提高贴片的可靠性,使其更具成本效益,并增加其产量以扩大全球范围。 他们的目标是到 2020 年底在市场上推出这款设备。

面临的挑战

电子皮肤的开发是一项非常令人兴奋的新研究,然而,我们的基本特性之一——柔韧性和拉伸能力——尚未通过电子皮肤成功实现。 电子皮肤柔软但不像人类皮肤那样有弹性。 根据作者的说法,就目前而言,这种材料也不是很容易重现。 与新模块相比,重新修复/回收的电子皮肤设备的整体传感性能略有下降,这需要通过进一步的研究来充分解决。 电子皮肤使用的磁场也相当高,需要按比例缩小。 目前,该设备由外部电源供电,这是非常不切实际的,但应该可以使用可充电的小型电池为设备供电。 肖博士和他的团队希望改进这个产品并改进缩放解决方案,这样至少可以克服经济障碍,并​​且这种电子皮肤应该更容易制造和放置在机器人、假肢、医疗设备或其他任何东西上。

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{您可以通过单击下面引用来源列表中给出的 DOI 链接来阅读原始研究论文}

来源(S)

1. 邹泽等2018. 由动态共价热固性纳米复合材料实现的可再愈合、完全可回收和可延展的电子皮肤。 科学进展https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508

2. Someya T. 2018. 使用超柔性皮肤传感器进行持续健康监测。 AAAS 年会研讨会,德克萨斯州奥斯汀,17 年 2018 月 XNUMX 日。

赛欧团队
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