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 è un materiale sottile e traslucido con un nuovo tipo di rete polimerica dinamica legata in modo covalente, chiamata poliammina, che è cucita con nanoparticelle d'argento per una migliore resistenza meccanica, stabilità chimica e conduttività elettrica. Questa e-skin ha anche sensori incorporati per misurare la pressione, la temperatura, l'umidità e il flusso d'aria. Questa e-skin è considerata notevole perché è stata incorporata con molte caratteristiche che la rendono un'imitazione estremamente più fedele della pelle umana. È altamente malleabile e può essere facilmente posizionato su superfici curve (ad es. braccia e gambe umane, mani robotiche) applicando un calore e una pressione moderati senza introdurre sollecitazioni eccessive. Possiede sorprendenti proprietà autorigeneranti per cui su qualsiasi taglio o danno causato da una circostanza esterna, l'e-skin ricrea i legami chimici tra i due lati separati ripristinando la matrice per la sua corretta funzionalità e ritornando al suo stato originale legato.
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.
Le proprietà ecologiche ea basso costo dell'e-skin sono state acclamate e tale e-skin potrebbe ridurre notevolmente i rifiuti elettronici e l'impatto ambientale e potrebbe essere altamente utilizzabile e popolare tra i produttori in diversi settori. Anche se al momento può sembrare inverosimile, questa tecnologia di riutilizzo potrebbe essere applicata in modo simile anche a vecchi articoli di elettronica. In effetti, i moderni tracker per il fitness e i monitor per la salute, una volta danneggiati, si aggiungono alla crescente montagna di problemi legati all'ambiente di composizione dei rifiuti elettronici. L'e-skin potrebbe essere indossata al collo o ai polsi e questi potrebbero essere come indossabili flessibili o tatuaggi temporanei e ogni volta che vengono danneggiati possono essere riciclati e riutilizzati. Poiché l'e-skin è flessibile, può essere piegata e attorcigliata e può essere personalizzata in base a chi la indossa. La tecnologia apre strade alla robotica intelligente in cui una pelle elettronica così piacevole al tatto e confortevole può essere avvolta attorno al corpo di un robot o di un arto artificiale. Per elaborare, un braccio o una gamba protesica che è avvolto in questa pelle elettronica può consentire a chi lo indossa di rispondere ai cambiamenti di temperatura e pressione a causa dei molteplici sensori incorporati in esso. Le braccia o le gambe robotiche dotate di una tale e-skin possono far sì che i robot agiscano in modo più delicato nei confronti degli umani e siano più sicuri e affidabili. Ad esempio, l'e-skin potrebbe essere montata in modo specifico su un robot che gestisce un bambino o un anziano fragile e quindi il robot non applicherà troppa forza. Un'altra applicazione dell'e-skin può essere potenzialmente in ambienti pericolosi o lavori ad alto rischio. È plausibile che questa tecnologia possa essere utilizzata con pulsanti virtuali, controlli o porte che consentirebbero qualsiasi operazione senza l'interazione fisica umana, ad esempio nell'industria degli esplosivi o in altre aree di lavoro pericolose, e quindi questa e-skin potrebbe essere in grado di ridurre le possibilità di qualsiasi lesione umana.
Aggiunta di display a e-skin
Un team di ricercatori dell'Università di Tokyo ha recentemente aggiunto un display2(micro-LED) a cerotti elettronici ultrasottili in stile cerotto per consentire la visualizzazione di diversi segni di monitoraggio della salute in tempo reale (ad es. misurazione dei livelli di glucosio nelle persone con diabete o la forma d'onda in movimento di un elettrocardiogramma di un paziente cardiaco). Questi cerotti hanno un cablaggio estensibile e quindi possono piegarsi o allungarsi fino al 45 percento in base al movimento di chi li indossa. Questi sono considerati come aventi il design più flessibile e durevole negli ultimi tempi. Il continuo spargimento di cellule della pelle umana potrebbe significare che il cerotto potrebbe cadere dopo alcuni giorni, ma questo può essere aggirato.
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.
