Biologik teri va uning funktsiyalarini taqlid qiluvchi "e-Skin"

Egiluvchan, o'z-o'zini tiklaydigan va butunlay qayta ishlanadigan "elektron teri" ning yangi turini kashf qilish sog'liqni saqlash monitoringi, robototexnika, protezlash va takomillashtirilgan biotibbiyot qurilmalarida keng qo'llaniladi.

Ichida chop etilgan izlanishlar Ilmiy yutuqlar inson bilan solishtirganda egiluvchanlik, o'z-o'zini davolash va to'liq qayta ishlash kabi ko'plab xususiyatlarga ega bo'lgan yangi elektron terini (yoki oddiygina elektron terini) namoyish etadi. teri¹.Bizning eng katta organimiz bo'lgan teri tashqi tomondan ko'rilganda go'shtli qoplamdir. Bizning terimiz juda ko'p qirrali organ bo'lib, u suv o'tkazmaydigan, izolyatsiya qiluvchi qalqon vazifasini bajaradi va tanamizni turli xil tashqi xavf-xatarlardan yoki quyoshga zarar etkazuvchi omillardan himoya qiladi. Terining ba'zi funktsiyalari tana haroratini tartibga solish, tanani zaharli moddalarni iste'mol qilishdan himoya qilish, shuningdek, toksik moddalarni (ter bilan birga) chiqarib tashlash, mexanik va immunologik ta'minlash va muhim moddalarni ishlab chiqarishdir. D vitamini bu bizning suyaklarimiz uchun juda muhimdir. Teri, shuningdek, miya bilan bir zumda aloqa qilish uchun juda ko'p nervlarga ega bo'lgan ulkan sensordir.

Butun dunyo bo'ylab tadqiqotchilar har xil turdagi va o'lchamdagi "kiyiladigan" buyumlarni ishlab chiqish ustida ishlamoqda elektron terilar' taqlid qilishga harakat qilish maqsadi bilan biologik teri va uning turli funktsiyalari. Yumshoq va egri chiziqli inson terisi bilan uzluksiz integratsiya qilish uchun moslashuvchan va cho'ziladigan qurilmalarga kuchli ehtiyoj bor. Nano miqyosda (10^-9m) materiallar odatda ilgari ishlatilgan qattiq kremniy o'rnini bosuvchi zarur mexanik va elektr ko'p qirralilikni ta'minlashi mumkin. AQShning Boulder shtatidagi Kolorado universitetida doktor Jianliang Xiao boshchiligidagi jamoa inson terisining sensorli teginishini robotlar va protezlarga o‘tkazish maqsadida sun’iy elektron terini (elektron teri) muvaffaqiyatli ishlab chiqdi. Ushbu urinish kelajakda tibbiyot, ilmiy va muhandislik sohalarida katta salohiyat va qiymatga ega bo'lgan "kiyiladigan" texnologiyaga ega bo'lish yo'nalishida.

Elektron teri: o'z-o'zini davolash va qayta ishlash

Elektron teri - bu nozik, shaffof materialdir roman Poliimin deb ataladigan kovalent bog'langan dinamik polimer tarmog'ining turi, mexanik kuch, kimyoviy barqarorlik va elektr o'tkazuvchanligini oshirish uchun kumush nanozarrachalar bilan bog'langan. Ushbu elektron terida bosim, harorat, namlik va havo oqimini o'lchash uchun o'rnatilgan sensorlar ham mavjud. Ushbu elektron teri ajoyib deb hisoblanadi, chunki u ko'plab xususiyatlarga ega bo'lib, uni inson terisiga juda yaqinroq taqlid qiladi. U juda egiluvchan va egri sirtlarga (masalan, inson qo'llari va oyoqlari, robot qo'llari) o'rtacha issiqlik va bosim o'tkazib, ortiqcha stresslarsiz osongina o'rnatilishi mumkin. U ajoyib o'z-o'zini davolovchi xususiyatlarga ega, bunda tashqi ta'sir natijasida yuzaga kelgan har qanday kesilgan yoki shikastlanganda elektron teri bir-biridan ajratilgan ikki tomon o'rtasidagi kimyoviy bog'lanishlarni qayta tiklaydi va matritsani to'g'ri ishlashi uchun tiklaydi va asl bog'langan holatiga qaytadi.

Agar ushbu elektron teri har qanday sharoitda yaroqsiz bo'lib qolsa, uni mavjud elektron teri materialini "suyuqlashtiradigan" va uni "qayta ishlangan" ga aylantiradigan qayta ishlash eritmasiga joylashtirish orqali butunlay qayta ishlanishi va yangi elektron teriga aylanishi mumkin. yangi" elektron teri. Ushbu qayta ishlash eritmasi - etanoldagi uchta sotiladigan kimyoviy birikmalar aralashmasi - polimerlarni buzadi va kumush nanozarrachalar eritmaning pastki qismida cho'kadi. Bu degradatsiyaga uchragan polimerlar yangi funktsional elektron terini yaratish uchun qayta ishlatilishi mumkin. Xona haroratida erishiladigan bu o'z-o'zini davolash va qayta ishlash, ishlatiladigan polimerning kimyoviy bog'lanishi bilan bog'liq. Poliiminning polimer tarmog'ining afzalligi shundaki, uning o'zaro bog'langan polimer tarmoqlari ichidagi qaytarib bo'lmaydigan bog'lanishlar tufayli shaklini o'zgartirishi, qayta ishlanishi yoki qayta ishlanishi mumkin bo'lmagan ko'pgina an'anaviy termostat materiallaridan farqli o'laroq, uning qaytarilishi va sinishi va qayta ishlanishi mumkin. Bu inson terisining o'ziga qaraganda ancha mustahkam va uni almashtirish emas, balki uni yaxshilash uchun ishlatish mumkin. Bundan tashqari, teginish yoqimli va deyarli haqiqiy teriga o'xshaydi, bu kelajakda uni qoplovchi vosita sifatida, masalan, elektron qurilmalarga aylantirishi mumkin.

Elektron terining ekologik toza va arzon narxlardagi xususiyatlari olqishlandi va bunday elektron teri elektron chiqindilarni va atrof-muhitga ta'sirini sezilarli darajada kamaytirishi mumkin va turli sohalarda ishlab chiqaruvchilar orasida juda foydali va mashhur bo'lishi mumkin. Ayni paytda bu juda qiyin tuyulishi mumkin bo'lsa-da, bu qayta foydalanish texnologiyasi xuddi shunday eski elektronika buyumlariga ham qo'llanilishi mumkin. Darhaqiqat, zamonaviy fitnes-trekerlar va sog'liqni saqlash monitorlari bir marta shikastlangan bo'lib, atrof-muhit bilan bog'liq muammolarni keltirib chiqaradigan elektron chiqindilarning ortib borayotgan tog'iga qo'shiladi. Elektron terini bo'ynimizga yoki bilaklarimizga kiyish mumkin va ular egiluvchan kiyim yoki vaqtinchalik tatuirovka kabi bo'lishi mumkin va ular shikastlanganda ularni qayta ishlash va qayta ishlatish mumkin. Elektron teri moslashuvchan bo'lgani uchun uni egish va burish mumkin va foydalanuvchiga ko'ra moslashtirilgan bo'lishi mumkin. Texnologiya aqllilar uchun yo'l ochadi robototexnika unda shunday yoqimli his qilish va qulay elektron terini robot yoki sun'iy a'zoning tanasiga o'rash mumkin. Aniqroq qilib aytadigan bo'lsak, ushbu elektron teriga o'ralgan protez qo'l yoki oyoq kiygan odamga harorat va bosim o'zgarishiga javob berishi mumkin, chunki unda bir nechta sensorlar mavjud. Bunday elektron teri bilan jihozlangan robot qo'llari yoki oyoqlari robotlarni odamlarga nisbatan nozikroq harakat qilishiga va xavfsizroq va ishonchli bo'lishiga yordam beradi. Masalan, elektron terini chaqaloq yoki qariyalarni boshqaradigan robotga o'rnatish mumkin, shuning uchun robot juda ko'p kuch ishlatmaydi. Elektron terining boshqa qo'llanilishi xavfli muhitda yoki yuqori xavfli ishlarda bo'lishi mumkin. Ushbu texnologiya virtual tugmalar, boshqaruv elementlari yoki eshiklar bilan ishlatilishi mumkin bo'lib, ular insonning jismoniy ta'sirisiz har qanday operatsiyani amalga oshirishga imkon beradi, masalan, portlovchi moddalar sanoatida yoki boshqa xavfli ish yo'nalishlarida va shuning uchun bu elektron teri ehtimolini kamaytirishi mumkin. har qanday inson jarohati.

Elektron teriga displey qo'shish

Tokio universiteti tadqiqotchilari jamoasi yaqinda displeyni qo'shdilar²(mikro-LED) ultra yupqa, tarmoqli yordam uslubidagi elektron teri patchlari bilan real vaqt rejimida salomatlik monitoringining turli belgilarini ko'rsatishga imkon beradi (masalan, qandli diabet bilan kasallangan odamlarda glyukoza darajasini o'lchash yoki yurak elektrokardiogrammasining harakatlanuvchi to'lqin shakli). kasal). Ushbu yamaqlar cho'ziladigan simga ega va shuning uchun foydalanuvchining harakatiga qarab 45 foizgacha egilishi yoki cho'zilishi mumkin. Ular so'nggi paytlarda eng moslashuvchan va bardoshli dizaynga ega deb hisoblanadi. Inson teri hujayralarining doimiy ravishda to'kilishi, yamoq bir necha kundan keyin tushishi mumkinligini anglatishi mumkin, ammo buni hal qilish mumkin.

Professor Takao Someya boshchiligidagi ushbu tadqiqot shuni ko'rsatadiki, bunday displeydan tibbiy ma'lumotlarni nafaqat bemorlar uchun, balki oila a'zolari, parvarish qiluvchilar va sog'liqni saqlash sohasi mutaxassislari uchun ham shaxsan yoki hatto muammosiz va oson o'qish va etkazish imkonini berish uchun foydalanish mumkin. masofadan. U ham xabarlarni qabul qiladi. Tadqiqotchilar yamoqning ishonchliligini yanada oshirish, uni tejamkor qilish va butun dunyo bo'ylab kengroq foydalanish uchun ishlab chiqarishni ko'paytirishni maqsad qilgan. Ularning maqsadi 2020-yil oxirigacha ushbu qurilmani bozorga chiqarish.

Oldinda turgan muammolar

Elektron terini ishlab chiqish juda hayajonli yangi tadqiqotdir, ammo bizning asosiy xususiyatlarimizdan biri - moslashuvchanlik va cho'zish qobiliyati - elektron teri tomonidan hali muvaffaqiyatli amalga oshirilmagan. Elektron teri yumshoq, lekin inson terisi kabi cho'ziluvchan emas. Mualliflarning so'zlariga ko'ra, materialni qayta tiklash juda oson emas. Yangi modulga nisbatan qayta tiklangan/qayta ishlangan elektron teri qurilmasida umumiy sezish samaradorligining biroz pasayishi kuzatildi, bu keyingi tadqiqotlar bilan to'liq hal qilinishi kerak. Elektron terilar tomonidan ishlatiladigan magnit maydonlar ham ancha yuqori va ularni kichraytirish kerak. Hozirda qurilma tashqi manbadan quvvatlanadi, bu juda amaliy emas, lekin uning o'rniga qurilmani quvvatlantirish uchun qayta zaryadlanuvchi, kichik batareyalar bo'lishi mumkin bo'lishi kerak. Doktor Xiao va uning jamoasi ushbu mahsulotni takomillashtirish va masshtablash yechimini yaxshilashni xohlaydi, shunda hech bo'lmaganda iqtisodiy to'siqlarni engib o'tish mumkin va bu elektron terini ishlab chiqarish va robotlar yoki protezlar yoki tibbiy asboblar yoki boshqa narsalarga joylashtirish osonroq bo'lishi kerak.

***

Manba (lar)

1. Zou Z va boshqalar. 2018. Qayta tiklanadigan, to‘liq qayta ishlanadigan va egiluvchan elektron teri dinamik kovalent termosetli nanokompozit tomonidan yoqilgan. Ilmiy yutuqlar. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508

2. Someya T. 2018. Ultraflexible teriga datchiklar yordamida sog'liqning doimiy monitoringi. AAAS yillik yig'ilish simpoziumi, Ostin, Texas, 17 fevral, 2018 yil. https://aaas.confex.com/aaas/2018/meetingapp.cgi/Paper/20827

3. Yokota T. va boshqalar. Ultra moslashuvchan organik fotonik teri. FANIY OLG'ALAR. 15 aprel 2016 yil. 2-jild, 4-son. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.1501856

***