La scoperta di un nuovo tipo di "pelle elettronica" malleabile, autorigenerante e completamente riciclabile ha ampie applicazioni nel monitoraggio della salute, nella robotica, nelle protesi e nei dispositivi biomedici migliorati.
Uno studio pubblicato Anticipi Scienza mette in mostra una nuova pelle elettronica (o semplicemente e-skin) che ha una moltitudine di proprietà tra cui malleabilità, autorigenerazione e riciclabilità completa rispetto a quella umana pelle1.La pelle, il nostro organo più grande, è il rivestimento carnoso visto dall'esterno. La nostra pelle è un organo altamente versatile che agisce come uno scudo impermeabile e isolante e protegge il nostro corpo da una varietà di pericoli o fattori esterni, ad esempio il sole dannoso. Alcune delle funzioni della pelle sono la regolazione della temperatura corporea, la protezione del corpo dall'assunzione di sostanze tossiche e anche l'escrezione di sostanze tossiche (insieme al sudore), il supporto meccanico e immunologico e la produzione del cruciale vitamina D che è molto importante per le nostre ossa. La pelle è anche un enorme sensore con ampi nervi per comunicare istantaneamente con il cervello.
I ricercatori di tutto il mondo hanno lavorato allo sviluppo di diversi tipi e dimensioni di "indossabili" e-skin' con l'obiettivo di cercare di imitare biologico pelle e le sue varie funzioni. Esiste una forte necessità di dispositivi flessibili ed estensibili per un’integrazione perfetta con la pelle umana morbida e curvilinea. Nanoscala (10-9m) i materiali possono fornire la necessaria versatilità meccanica ed elettrica sostituendo il silicio rigido solitamente utilizzato in precedenza. Il team guidato dal Dr. Jianliang Xiao dell'Università del Colorado, Boulder, USA, ha sviluppato con successo una pelle elettronica artificiale (e-skin) con l'obiettivo di tradurre il tocco sensoriale della pelle umana su robot e protesi. Questo tentativo è nella direzione di avere una tecnologia "indossabile" in futuro che avrebbe un enorme potenziale e valore in campo medico, scientifico e ingegneristico.
E-skin: autorigenerante e riciclabile
E-skin is a thin, translucent material having a romanzo type of covalently bonded dynamic polymer network, called polyimine, which is laced with silver nanoparticles for improved mechanical strength, chemical stability and electrical conductivity. This e-skin also has sensors embedded in it to measure pressure, temperature, humidity and air flow. This e-skin is being considered remarkable because it has been incorporated with many features which make it an extremely closer mimic of the human skin. It is highly malleable and can be easily set onto curved surfaces (e.g. human arms and legs, robotic hands) by applying moderate heat and pressure to it without introducing excessive stresses. It has amazing self-healing properties wherein upon any cut or damage caused by an external circumstance, the e-skin recreates the chemical bonds between the two separated sides restoring the matrix for its proper functionality and returning to its original bonded state.
Se questa e-skin diventa inutilizzabile per qualsiasi circostanza, può essere completamente riciclata e trasformata in una nuovissima e-skin inserendola in una soluzione di riciclaggio che "liquefa" il materiale e-skin esistente e lo trasforma in un " nuova” e-skin. Questa soluzione di riciclaggio - una miscela di tre composti chimici disponibili in commercio in etanolo - degrada i polimeri e le nanoparticelle d'argento affondano sul fondo della soluzione. Questi polimeri degradati possono essere riutilizzati per creare una nuova e-skin funzionale. Questa autoriparazione e riciclabilità ottenibile a temperatura ambiente è attribuita al legame chimico del polimero utilizzato. Il vantaggio della rete polimerica di poliimmina è che è reversibile e può essere rotta e riciclata a differenza della maggior parte dei materiali termostatici convenzionali che non possono essere rimodellati o rielaborati o riciclati a causa dei legami irreversibili all'interno delle loro reti polimeriche reticolate. Questo è più robusto della pelle umana stessa e potrebbe essere usato come un miglioramento piuttosto che come sostituzione. È anche piacevole al tatto e sembra quasi una vera pelle che potrebbe trasformarsi in un agente di copertura in futuro, ad esempio dispositivi elettronici.
Eco-friendly and low on cost properties of e-skin have been hailed and such e-skin could greatly reduce electronic waste and environmental impact and could be highly usable and popular with manufacturers across different fields. Though it may sound farfetched at the moment, this reuse technology could also be similarly applied to old electronics items as well. In fact, modern day fitness trackers and health monitors once damaged add to the growing mountain of e-waste compounding environment related problems. The e-skin could be worn around our necks or on our wrists and these could be like flexible wearables or temporary tattoos and whenever they get damaged they can be recycled and reused. Since e-skin is flexible, it can be bent and twisted and can be made customized according to the wearer. The technology opens up avenues for intelligent robotica in which such a pleasant to feel and confortable electronic skin can be wrapped around the body of a robot or an artificial limb. To elaborate, a prosthetic arm or leg which is wrapped in this electronic skin can allow the wearer to respond to temperature and pressure changes because of the multiple sensors incorporated in it. The robotics arms or legs fitted with such an e-skin can make the robots act more delicately towards humans and be more safe and reliable. For example, e-skin could be specifically fitted to a robot handling a baby or a fragile elderly and thus robot will not be applying too much force. Another application of e-skin can be potentially in hazardous environments or high-risk jobs. It is plausible that this technology could be used with virtual buttons, controls or doors that would enable any operation without human physical interaction, for example in explosives industry or other dangerous lines of work, and thus this e-skin maybe able to decrease the chances of any human injury.
Aggiunta di display a e-skin
Un team di ricercatori dell'Università di Tokyo ha recentemente aggiunto un display2(micro-LED) to ultrathin, band aid-style e-skin patches to enable display of different signs of health monitoring in real time (e.g. measuring glucose levels in people with diabetes or the moving waveform of an electrocardiogram of a heart paziente). These patches have a stretchable wiring and thus can bend or stretch to up to 45 precent based upon the movement of the wearer. These are considered as having the most flexible and durable design in recent times. The continuous shedding of human skin cells could mean that the patch might fall off after a few days but this can be worked around.
Questo studio, condotto dal professor Takao Someya, afferma che tale display può essere eventualmente utilizzato per consentire la lettura e la comunicazione di informazioni mediche in modo semplice e continuo non solo per i pazienti ma anche per i familiari, gli operatori sanitari e gli operatori sanitari sia di persona che anche a distanza. Riceverebbe anche messaggi. I ricercatori mirano a migliorare ulteriormente l'affidabilità del cerotto, renderlo più conveniente e anche aumentare la sua produzione per una portata più ampia in tutto il mondo. Il loro obiettivo è lanciare questo dispositivo sul mercato entro la fine del 2020.
Sfide da affrontare
Lo sviluppo dell'e-skin è una nuova ricerca molto entusiasmante, tuttavia, una delle proprietà fondamentali della nostra – flessibilità e capacità di elasticità – deve ancora essere raggiunta con successo dall'e-skin. L'e-skin è morbida ma non elastica come la pelle umana. Secondo gli autori, così com'è il materiale non è inoltre molto facilmente riproducibile. È stata osservata una leggera riduzione delle prestazioni complessive di rilevamento in un dispositivo e-skin rigenerato/riciclato rispetto a un modulo nuovo, che deve essere affrontato completamente con ulteriori ricerche. Anche i campi magnetici utilizzati dalle e-skin sono piuttosto elevati e devono essere ridimensionati. Attualmente il dispositivo è alimentato da una fonte esterna che è molto poco pratica, ma dovrebbe essere possibile avere batterie ricaricabili di piccole dimensioni per alimentare il dispositivo. Il Dr.Xiao e il suo team vogliono perfezionare questo prodotto e migliorare la soluzione di ridimensionamento in modo che almeno gli ostacoli economici possano essere superati e questa e-skin dovrebbe essere più facile da produrre e posizionare su robot o protesi o dispositivi medici o qualsiasi altra cosa.
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{Puoi leggere il documento di ricerca originale facendo clic sul collegamento DOI indicato di seguito nell'elenco delle fonti citate}
Fonte (s)
1. Zou Z et al. 2018. Pelle elettronica rigenerabile, completamente riciclabile e malleabile abilitata da nanocomposito termoindurente covalente dinamico. Anticipi Scienza. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508
2. Someya T. 2018. Monitoraggio continuo della salute con sensori sulla pelle ultraflessibili. Simposio della riunione annuale dell'AAAS, Austin, Texas, 17 febbraio 2018.
