Электронная кожа E-skin: новый материал, который может чувствовать, реагировать и самовосстанавливаться

Человеческая кожа — это удивительный орган, который выполняет множество функций: защищает нас от внешних воздействий, регулирует температуру тела и обеспечивает тактильную обратную связь. Не удивительно, что ученые давно мечтают создать искусственную кожу, которая бы могла имитировать все эти свойства. Такая кожа могла бы быть использована для создания роботов, которые бы лучше взаимодействовали с людьми и окружающей средой, а также для разработки носимых устройств, которые бы мониторили состояние здоровья и предоставляли биомедицинскую помощь.

Однако создание искусственной кожи — это непростая задача, которая требует сочетания разных материалов и технологий. Кожа должна быть гибкой, растяжимой, чувствительной к различным стимулам, а также способной к самовосстановлению. Кроме того, кожа должна быть совместимой с биологическими тканями и иметь возможность быть изготовленной в различных сложных формах и размерах.

Недавно группа ученых из Китая и США представила новый подход к созданию электронной кожи (E-skin), которая может удовлетворить всем этим требованиям. Их работа была опубликована в журнале Advanced Materials и получила широкое внимание в научном сообществе. В этой статье я расскажу, как ученые смогли создать E-skin с помощью 3D-печати и какие перспективы открывает их исследование.

Новый класс гидрогелей для E-skin

Основой E-skin, разработанной учеными, является новый класс гидрогелей, которые обладают высокой электропроводностью и термочувствительностью. Гидрогели — это полимерные сети, которые могут содержать большое количество воды и сохранять свою форму. Они широко используются в биомедицине, так как они хорошо совместимы с живыми тканями и могут имитировать их механические свойства.

Однако большинство гидрогелей имеют низкую электропроводность, что ограничивает их применение в электронике. Для решения этой проблемы ученые использовали комбинацию трех материалов, которые обеспечивают гидрогелям необходимые электронные и термические характеристики:

• Тиолированный пуллулан (Pul-SH) — это природный полисахарид, который получен из грибов и одобрен FDA для использования в пищевой и фармацевтической промышленности. Пуллулан модифицирован так, что на его поверхности появляются тиоловые группы (-SH), которые могут реагировать с другими молекулами и образовывать сшитые сети.
• Дисульфид молибдена (MoS2) — это двумерный наноматериал, который состоит из одноатомных слоев молибдена и серы. MoS2 имеет высокую электропроводность и может быть использован в качестве полупроводника. Однако MoS2 имеет низкую гидрофильность, то есть плохо смешивается с водой. Для улучшения этого свойства ученые ввели в MoS2 дефекты, то есть пропуски в структуре, которые увеличивают его реакционную способность и сшиваемость с пуллуланом.
• Полидопамин (PDA) — это синтетический полимер, который имитирует биомолекулу допамин, которая участвует в передаче нервных сигналов в мозге. PDA имеет высокую адгезию к различным поверхностям, в том числе к влажным биологическим тканям, и может укреплять сшитую структуру гидрогелей.

Тройная сшивка для создания гибкой и стабильной E-skin

Для создания E-skin ученые смешали пуллулан, MoS2 и PDA в водном растворе и подвергли его тройной сшивке, то есть комбинации трех разных химических реакций, которые образуют сеть из гидрогелей:

• Дефект-управляемая геляция: дефекты в MoS2 реагируют с тиоловыми группами пуллулана и образуют дисульфидные связи (-S-S-), которые увеличивают электропроводность и термочувствительность гидрогелей.
• Реакция Михаэля: тиоловые группы пуллулана реагируют с аминогруппами PDA и образуют тиоэфирные связи (-S-CH2-), которые усиливают адгезию и стабилизацию гидрогелей.
• Ионная сшивка: катионы молибдена (Mo6+) из MoS2 реагируют с анионами карбоксильных групп (-COO-) из пуллулана и образуют ионные связи, которые улучшают механическую гибкость и вязкоупругость гидрогелей.

Благодаря тройной сшивке E-skin демонстрирует отличные свойства, такие как:

• Высокая электропроводность: может проводить электрический ток с эффективностью, сравнимой с металлами, и может быть использована в качестве электрода для измерения биосигналов.
• Высокая термочувствительность: может реагировать на изменения температуры в диапазоне от 25 до 45 градусов Цельсия и менять свою электропроводность в зависимости от них. Это позволяет E-skin измерять температуру тела и окружающей среды.

• Высокая механическая гибкость: может выдерживать серьёзные деформации, такие как растяжение, сжатие, скручивание и изгибание, без потери своих функций. E-skin также может самостоятельно восстанавливаться после повреждений, таких как разрывы или проколы, благодаря взаимодействию между тиоловыми группами.

• Высокая чувствительность к давлению: может обнаруживать различные уровни давления, от легкого прикосновения до сильного удара, и менять свою электропроводность в соответствии с ними. Это позволяет E-skin регистрировать тактильную информацию и передавать ее в электрические сигналы.

3D-печать для создания сложных форм и размеров E-skin

Другим преимуществом E-skin, разработанной учеными, является возможность её изготовления с помощью 3D-печати, то есть технологии, которая позволяет создавать трехмерные объекты посредством последовательного нанесения слоев материала. 3D-печать имеет множество преимуществ для создания данной технологии, таких как:

• Гибкость дизайна: 3D-печать позволяет создавать E-skin любой формы и размера, в зависимости от нужд и желаний пользователя. Например, её можно сделать в виде пластыря, перчатки, маски или даже одежды.
• Точность изготовления: 3D-печать позволяет контролировать толщину, плотность и структуру E-skin, а также встраивать в нее различные датчики и компоненты, такие как светодиоды, микропроцессоры или батареи.
• Экономичность производства: 3D-печать позволяет сократить затраты на материалы, труд и время, необходимые для создания E-skin, по сравнению с традиционными методами, такими как литье, шитье или склеивание.

Для 3D-печати E-skin ученые использовали метод экструзии, который заключается в выдавливании материала через сопло под давлением и его затвердевании на подложке. Этот метод подходит для гидрогелей, так как они имеют вязкую консистенцию и могут сохранять свою форму после нанесения. Ученые смогли напечатать устройство различных форм и размеров, таких как кольца, цветы, звезды, буквы и цифры. Они также смогли напечатать E-skin на поверхности руки и лица человека, демонстрируя ее гибкость и совместимость с кожей человека.

Приложения и перспективы E-skin

E-skin, разработанная учеными, имеет широкий спектр потенциальных приложений в разных областях, таких как:

• Робототехника: может быть использована для создания роботов, которые могут лучше адаптироваться к окружающей среде и взаимодействовать с людьми. E-skin может помочь роботам ощущать прикосновения, температуру, давление и другие стимулы, а также выражать эмоции и настроение с помощью светодиодов или цветовой смены.
• Носимые устройства: может быть использована для создания носимых устройств, которые могут мониторить состояние здоровья и предоставлять биомедицинскую помощь. E-skin может измерять биосигналы, такие как пульс, давление, температура, влажность и уровень глюкозы в крови, а также предоставлять терапию, такую как стимуляция мышц, подогрев или охлаждение.
• Искусство и развлечения: может быть использована для создания искусственных объектов, которые могут менять свою форму, цвет и текстуру в зависимости от настроения или ситуации. E-skin может быть использована для создания интерактивных игрушек, украшений, аксессуаров или даже одежды.

E-skin, разработанная учеными, является прорывом в области гибкого носимого аналога кожи и открывает новые возможности для будущего робототехники и человеко-машинных интерфейсов. Однако она все же не лишена недостатков, таких как:

• Низкая долговечность: может терять свои функции со временем из-за окисления, высыхания или загрязнения. Для повышения долговечности E-skin необходимо разработать способы защиты ее от внешних факторов, таких как воздух, вода или бактерии.
• Низкая интеграция: E-skin пока не может полностью интегрироваться с живой кожей, так как она имеет другую структуру, химию и физиологию. Для повышения интеграции необходимо разработать способы синхронизации ее с биологическими сигналами, такими как нервы, кровеносные сосуды или иммунная система.

E-skin, разработанная учеными, является важным шагом к созданию искусственной кожи, которая может имитировать все свойства человеческой кожи. Однако E-skin все еще находится в стадии разработки и требует дальнейшего усовершенствования и тестирования. Однако она представляет собой уникальный пример того, как нанотехнология, химия и 3D-печать могут совместно работать для создания новых материалов и устройств, которые могут расширить возможности человека и машины.