ساخت پوست مصنوعی با قابلیت های حسی پوست طبیعی

محققان دانشگاه بریتیش کلمبیا (UBC) موفق به ساخت نوعی پوست مصنوعی شده اند که تمام قابلیت های حسی پوست طبیعی انسان را دارد. برای کسب اطلاعات بیشتر از نحوه کار این پوست هوشمند تا پایان مطلب با های فن تک همراه باشید.

پوست مصنوعی در واقع پوست های یونی هستند که با قابلیت های حسی که دارند مانند پوست واقعی به نظر می رسند. آنها از هیدروژل های زیست سازگار و انعطاف پذیری ساخته شده اند که از یون ها برای انتقال بار الکتریکی استفاده می کنند. بر خلاف پوست های هوشمندی که از پلاستیک و فلز ساخته می شوند، هیدروژل ها به نرمی و انعطاف پذیری پوست واقعی هستند. این پوست یونی می تواند حالت طبیعی تری به بازوی مصنوعی یا دست روباتی که روی آن نصب می شوند، بدهد و پوشیدن آن ها را نیز برای افراد راحت می کند.

دانشمندان به طور دقیق متوجه نشدند که چگونه این هیدروژل‌ها هنگام لمس می‌توانند ولتاژ تولید کنند، تا اینکه تیمی از محققان دانشگاه بریتیش کلمبیا (UBC) آزمایشی منحصر به فردی را طراحی کردند که در 28 آوریل 2022 در مجله Science منتشر شد.

محقق ارشد این مطالعه، یوتا دوباشی، که این تحقیق را به عنوان بخشی از پایان نامه کارشناسی ارشد خود در مهندسی زیست پزشکی در UBC آغاز کرده، گفت: «نحوه کار حسگرهای هیدروژل به این صورت است که آنها در واکنش به محرک‌ها، مانند فشار یا لمس، ولتاژ و جریان تولید می‌کنند، چیزی که ما آن را اثر پیزویونی می‌نامیم. اما ما دقیقاً نمی‌دانستیم این ولتاژها چگونه تولید می‌شوند!» دوباشی تحت نظارت دکتر جان مدن، محقق دانشگاه UBC، حسگرهای هیدروژل حاوی نمک هایی با یون های مثبت و منفی در اندازه های مختلف ابداع کرد. او و همکارانش در دپارتمان‌های فیزیک و شیمی UBC از میدان‌های مغناطیسی برای ردیابی دقیق نحوه حرکت یون‌ها هنگام اعمال فشار به حسگر استفاده کردند.

هنگامی که فشار روی ژل اعمال می شود؛ این فشار، یون های موجود در مایع را با سرعت های مختلف پخش می کند و یک سیگنال الکتریکی ایجاد می کند. یون‌های مثبت که تمایل به کوچک‌تر بودن دارند، سریع‌تر از یون‌های بزرگ‌تر و منفی حرکت می‌کنند. این عمل منجر به توزیع ناهموار یون شده که باعث می شود یک میدان الکتریکی ایجاد شود. در نتیجه این میدان الکتریکی، حسگر پیزویونی کار می کند.

محققان می‌گویند این دانش جدید تأیید می‌کند که هیدروژل‌ها از طریق حرکت یون‌ها در برابر فشار به روشی مشابه پوست انسان عمل می‌کند و می تواند الهام‌بخش کاربردهای جدیدی برای پوست‌های یونی باشد.
دکتر مدن، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشکده علوم کاربردی UBC می‌گوید: «هدف از این مطالعه، ایجاد حسگرهایی است که مستقیماً با سلول‌ها و سیستم عصبی تعامل دارند، زیرا ولتاژها، جریان‌ها و زمان‌های پاسخ مانند ولتاژهای غشای سلولی است. . زمانی که حسگر خود را به یک عصب متصل می کنیم، سیگنالی در عصب تولید می کند. عصب به صورت ناخودآگاه، انقباض عضلانی را فعال می کند.

شما می توانید یک بازوی مصنوعی پوشیده از یک پوست یونی را تصور کنید. پوست یک شی را از طریق لمس یا فشار حس می کند، آن اطلاعات را از طریق اعصاب به مغز می رساند و سپس مغز موتورهای مورد نیاز برای بلند کردن یا نگه داشتن جسم را فعال می کند. با توسعه بیشتر پوست حسگر و رابط با اعصاب، این رابط بیونیک قابل تصور است.

کاربرد دیگر یک سنسور هیدروژل نرم این است که می تواند بر روی پوست پوشیده ‌شود تا بتواند از این طریق، علائم حیاتی بیمار را کنترل کند.

دوباشی که در حال حاضر در حال تکمیل پایان نامه دکترای خود در دانشگاه تورنتو است، علاقه دارد پس از فارغ التحصیلی به کار بر روی فناوری های یونی ادامه دهد.

ما می توانیم آینده ای را تصور کنیم که در آن از "یونترونیک" ژله مانند برای ایمپلنت های بدن استفاده شود. مفاصل مصنوعی را می توان بدون ترس از پس زدن در داخل بدن انسان کاشت. دستگاه های یونی را می توان به عنوان بخشی از غضروف مصنوعی زانو استفاده کرد و به صورت بخشی از یک عنصر حسگر هوشمند اضافه کرد. برای مثال، یک ایمپلنت ژل پیزویونیک ممکن است بر اساس میزان فشاری که احساس می کند، مقدار مشخصی از داروها را آزاد کند.

دکتر مدن افزود:« ارزش تجاری پوست های هوشمند در سال 2019 حدود 4.5 میلیارد دلار تخمین زده می شود. پوست‌های یونی یکی از فناوری‌هایی هستند که می‌توانند این رشد را بیشتر کنند. پوست‌های هوشمند را می‌توان در لباس استفاده کرد یا مستقیماً روی پوست قرار داد. »

تحقیقات منتشر شده در Science، شامل همکاری های یائل پتل، فارغ التحصیل دکترای شیمی UBC و کارل مایکل، استاد فیزیک دانشگاه UBC نیز می باشد که از تعامل بین میدان های مغناطیسی قوی و چرخش هسته ای یون ها برای ردیابی حرکت یون ها در هیدروژل ها استفاده کردند.