Dodano: 01 czerwca 2023r.

Miękka „e-skóra”, która może naśladować zmysł dotyku

Receptory w ludzkiej skórze potrafią wyczuć ciężar motyla, ciepło pochodzące od płomienia lub zimno chłodnego napoju. Dzięki nim możemy wyczuć chociażby puls i to tylko za pomocą delikatnego dotyku. Inżynierowie od dawna opracowują materiały, które naśladują ten zmysł. Teraz po raz pierwszy udało im się stworzyć „e-skórę”, która pozwala na odczuwanie ciepła czy ciśnienia i może bezpośrednio komunikować się z mózgiem.

Miękka „e-skóra”, która może naśladować zmysł dotyku

 

Mechanoreceptory znajdujące się w ludzkiej skórze odpowiadają za odbiór bodźców mechanicznych, takich jak dotyk, wibracje, czy rozciąganie. Bodziec zewnętrzny zmienia potencjał błony receptora, co generuje impuls nerwowy docierający do ośrodkowego układu nerwowego. Naukowcom z Uniwersytetu Stanforda udało się opracować miękkie układy scalone, które przekształcają wykrywane ciśnienie lub temperaturę na sygnały elektryczne podobne do impulsów nerwowych. Umożliwia to komunikację „e-skóry” z mózgiem.

Naukowcy mają nadzieję, że pewnego dnia sygnały te będzie można kierować do wszczepionych chipów w nerwach obwodowych. Technologia ta może doprowadzić do opracowania pokrycia protez kończyn, które naśladowałoby zmysł dotyku. Dawałoby ich użytkownikom możliwość odczuwania ciepła czy nacisku. Pomogłoby przywrócić częściowe czucie osobom, których skóra została uszkodzona. Inne potencjalne zastosowania obejmują nowe, wszczepialne lub nadające się do noszenia urządzenia medyczne. Taka „e-skóra” mogłaby również wzbogacić doświadczenia wirtualnej rzeczywistości.

Odkrycie opisano w magazynie „Science” (DOI: 10.1126/science.ade0086).

Poszukiwania materiału na „e-skórę”

– Od pewnego czasu pracujemy nad „e-skórą”. Główną przeszkodą w pracach było nie tyle znalezienie mechanizmów naśladujących niezwykłe zdolności sensoryczne ludzkich receptorów, ale połączenie ich przy użyciu wyłącznie materiałów podobnych do skóry – wyjaśnia profesor inżynierii chemicznej Zhenan Bao, główna autorka badań.

Naukowcy tłumaczą, że wyzwaniem było udoskonalenie materiałów elektronicznych podobnych do skóry, tak aby można je było włączyć do złożonych układów scalonych, które mogłyby generować impulsy podobne do impulsów nerwowych.

– Materiał musiał mieć też wystarczająco niskie napięcie, aby można go było bezpiecznie stosować na ludzkim ciele – mówi Weichen Wang, doktorant w laboratorium Bao. Wang pracował nad prototypem „e-skóry” przez trzy lata.

Protezy nowej generacji

Badacze poszukiwali zatem miękkiego układu scalonego, który mógłby naśladować mechanizmy receptorów czuciowych i działać wydajnie przy niskim napięciu. Pierwsze próby Wanga wymagały jednak ponad 30 lub więcej woltów i nie mogły zapewnić wystarczającej funkcjonalności obwodu. – Nowa „e-skóra” działa przy zaledwie pięciu woltach i może wykrywać bodźce podobnie, jak prawdziwa skóra – wyjaśnia Wang.

Sztuczna skóra będzie miała kluczowe znaczenie dla protez kończyn nowej generacji, które nie tylko będą mogły przywrócić ruch, ale także częściowo zmysł dotyku.

Warstwowa budowa „e-skóry”

Większość „e-skóry” składa się z wielu warstw materiałów przypominających prawdziwą skórę. W każdej warstwie znajdują się organiczne nanostruktury, które przesyłają sygnały elektryczne. Sieci te mogą być zaprojektowane do wykrywania ciśnienia, temperatury, naprężeń i chemikaliów.

Każda taka warstwa ma swój własny układ scalony. Sześć podobnych warstw sensorycznych łączy się potem w jednolity materiał, który nie rozwarstwia się, nie rozrywa ani nie traci funkcji elektrycznych. Gotowy materiał ma grubość nie większą, niż mikron.

– Jest to jednak zbyt cienka warstwa, aby można ją było łatwo obsługiwać. Używamy więc specjalnego podłoża, co zwiększa grubość naszej „e-skóry” do około 25-50 mikronów. Mniej więcej tyle wynosi grubość kartki papieru. Podobną grubość ma ludzka skóra – tłumaczy prof. Bao.

To pierwszy materiał, który łączy wszystkie pożądane elektryczne i mechaniczne cechy ludzkiej skóry w miękkiej, trwałej formie i może być stosowany w skórach protetycznych nowej generacji. Dzięki niemu naukowcy mają nadzieję na opracowanie innowacyjnych interfejsów człowiek-maszyna, które mogłyby zapewnić zmysł dotyku osobom z protezami kończyn.

 

Źródło: Stanford University, fot. Jiancheng Lai and Weichen Wang of Bao Research Group at Stanford University