پوست بزرگ‌ترین اندام بدن انسان است که عملکرد‌های بی‌شماری دارد. «پوست‌های الکترونیکی» (E-skins)، تجهیزات الکترونیکی بسیار انعطاف‌پذیر و زیست‌سازگار مبتنی بر پلیمر هستند که برای تقلید از عملکرد پوست چندلایه انسان طراحی شده‌اند.

پوست‌های الکترونیکی که حس لامسه دارند، می‌توانند به بیماران پیوند عضو کمک کنند تا راحت‌تر با پاسخ مناسب به محرک‌های تعریف‌شده سازگار شوند. جالب توجه است که پوست‌های الکترونیکی را می‌توان بیشتر در رباتیک به کار برد و برای مثال، از آن‌ها برای توسعه هوش مستقل دستگاه‌ها استفاده کرد.

یک گروه پژوهشی از «دانشگاه دونگهوا» (Donghua University) و «آکادمی علوم چین» (CAS) به سرپرستی «لیمینگ وانگ» (Liming Wang) و «یین چنگ» (Yin Cheng) اساتید این مراکز پژوهشی تصمیم گرفتند با طراحی پوست الکترونیکی موسوم به «SPRABE-skin»، از ساختار چندلایه و عملکرد پوست انسان تقلید کنند. این پوست الکترونیکی از چندین لایه مجزا تشکیل شده است. لایه‌ها به طور متوالی از طریق فرآیندی ایجاد می‌شوند که مقیاس‌پذیری و تکرارپذیری را تضمین می‌کند تا دوام و عملکرد مواد مورد استفاده اطمینان‌بخش باشد.

پوست الکترونیکی SPRABE-skin امکان دریافت سیگنال‌های زیستی گوناگون مانند «الکتروکاردیوگراف» (ECG)، «الکترومیوگراف» (EMG)، «الکتروانسفالوگراف» (EEG) را فراهم می‌کند.

پژوهشگران این پروژه، ارائه یک سیستم مراقبت از سلامت انسان مبتنی بر SPRABE-skin را برای نظارت بلندمدت و پویا بر فرآیند‌های فیزیکی در طول تمرینات و سایر فعالیت‌ها در نظر دارند.

یین چنگ در مصاحبه با ادونسد ساینس نیوز، شرحی را در مورد دنیای هیجان‌انگیز پوست‌های الکترونیکی ارائه داد.

پوست‌های الکترونیکی در کجا کاربرد دارند؟

چنگ: پوست الکترونیکی نوعی پوست مصنوعی با انعطاف مکانیکی و قابلیت درک محرک‌های بیرونی است. ترکیب سازگاری بالا با سطوح ساختاربندی‌نشده و توانایی دریافت چند سیگنال، پوست الکترونیکی را به گزینه مناسبی برای پزشکی از راه دور و رباتیک هوشمند تبدیل می‌کند. به عنوان مثال، هنگامی که پوست الکترونیکی روی ربات‌ها قرار می‌گیرد، حسگر مکانیکی می‌تواند با بهبود حساسیت و ایمنی در کار‌های بسیار تعاملی انسانی مانند مراقبت از سالمندان، هوش مستقل آن‌ها را توسعه دهد.

مثال دیگر اینکه با اتصال پوست الکترونیکی به بدن انسان، سیگنال‌های گوناگون مرتبط با سلامتی را می‌توان بدون تأثیر گذاشتن بر حرکات بدن جمع‌آوری کرد تا امکان نظارت شخصی‌سازی‌شده بر سلامت برای تشخیص اولیه فراهم شود.

پوست الکترونیکی SPRABE-skin با چه ایده‌ای ابداع شد؟

چنگ: اسپری کردن و ریسندگی الکترواستاتیکی، روش‌های تولیدی با توان بالا و مقیاس‌پذیر هستند. یکنواختی، ضخامت و انعطاف‌پذیری پوشش را می‌توان به راحتی از طریق اندازه قطرات، فاصله اسپری کردن و زمان اسپری کردن تنظیم کرد. این یک روش آماده‌سازی در مقیاس بزرگ است که معمولا در تولید صنایع گوناگون مانند خودروسازی، هوانوردی، دفاع ملی و انرژی استفاده می‌شود. ما با الهام از ساختار چندلایه پوست انسان برای عملکرد‌های چندگانه، SPRABE-skin را با «لایه محافظ» (لایه P)، «لایه سنجش فشار» (لایه S)، «لایه ایزوله» (لایه I) و «لایه الکترود» (لایه E) طراحی کردیم.

لایه محافظ به مقاومت کردن در برابر اثرات بیرونی کمک می‌کند، لایه سنجش فشار و لایه الکترود به ترتیب سیگنال‌های فشار و پتانسیل زیستی را جمع‌آوری می‌کنند و لایه ایزوله از تداخل سیگنال بین سنجش بیومکانیکی و بیوالکتریک جلوگیری می‌کند.

از چه موادی برای ساخت SPRABE-skin استفاده شد تا بتواند از نمونه واقعی تقلید کند؟

چنگ: SPRABE-skin با استفاده از لایه نانوالیاف TPU الکتروریسی‌شده با مواد رسانا مانند نانولوله‌های کربنی، «مکسین» (MXene) و پلی‌اورتان پایه آب به عنوان مواد پیونددهنده برای تقلید از ساختار پوست انسان مونتاژ می‌شود. نانولوله‌های کربنی رسانا و مکسین روی لایه فیبر الکتروریسی‌شده TPU به عنوان لایه حسگر چیده شده‌اند که رشته‌های عصبی پوست انسان را شبیه‌سازی می‌کنند.

هنگامی که نیروی بیرونی اعمال می‌شود و فشار پدید می‌آید، محرک مکانیکی بیرونی از طریق تغییر مقاومت بازخورد می‌گیرد. مکسین و پلی‌اورتان پایه آب به عنوان لایه‌های الکترود استفاده می‌شوند که رسانایی و چسبندگی خوبی را به صورت هم‌زمان فراهم می‌کنند تا امکان انتقال سیگنال‌های بیوالکتریکی فراهم شود.

این فناوری چه تفاوتی با سایر نمونه‌های نوع خود دارد؟

چنگ: در مقایسه با روش‌های متداول ساخت حسگر‌های سنجش فشار، روش ما برای ترکیب کردن الکتروریسی و اسپری برای ساختن لایه‌به‌لایه پوست الکترونیکی، مزایایی از نظر مقیاس‌پذیری، تکرارپذیری و کنترل‌پذیری ویژگی‌های مواد دارد.

SPRABE-skin را چگونه درست می‌کنید؟ می‌توانید در مورد راهبرد ساخت مقیاس‌پذیر آن به ما بگویید؟

چنگ: ابتدا ترکیب مکسین و نانولوله‌های کربنی به عنوان لایه حسگر روی سطح لایه نانوالیاف TPU الکتروریسی‌شده اسپری شد و سپس لایه‌های TPU به ترتیب به عنوان لایه ایزوله و لایه محافظ در هر دو طرف مرحله الکتروریسی را پشت سر گذاشتند. در نهایت ترکیب مکسین و پلی‌اورتان پایه آب به عنوان لایه الکترود روی سطح لایه ایزوله اسپری شد. روش آماده‌سازی عمدتا شامل فرآیند ریسندگی الکترواستاتیک و اسپری است که معمولا در فرآیند تولید صنعتی برای دستیابی به تولید در مقیاس بزرگ استفاده می‌شود.

این پوست‌های الکترونیکی چقدر مقرون‌به‌صرفه هستند؟

چنگ: روش‌های الکتروریسی و اسپری در صنعت به بلوغ رسیده‌اند و به تجهیزات خاصی نیاز ندارند. مواد مورد استفاده در پوست الکترونیکی ما، پلی‌اورتان پایه آب و نانولوله‌های کربنی هستند که روش‌ها و فرآیند‌های تولید صنعتی بسیار ارزانی دارند. مکسین هزینه بیشتری دارد، اما مقدار مورد نیاز ما بسیار کم است و با تولید در آزمایشگاه خودمان می‌توان هزینه را تا اندازه قابل توجهی کاهش داد.

چرا مقیاس‌پذیری و تولید انبوه در راهبرد شما مهم است؟

چنگ: با تنوع عملکرد‌های پوست الکترونیکی، زمینه‌های کاربردی بیشتر و گسترده‌تر می‌شوند و تنها به رباتیک، تشخیص پزشکی و پروتز محدود نیستند. استفاده از پوست الکترونیکی در مقیاس بزرگی از کاربرد‌های عملی، الزامات بیشتری را برای تولید مطرح می‌کند. در حال حاضر، تولید پوست‌های الکترونیکی چندمنظوره در مقیاس بزرگ به دلیل مواد گران‌قیمت، فرآیند آماده‌سازی پیچیده و تجهیزات نیازمند پردازش ویژه، کار دشواری است که مشکلاتی را در توسعه و کاربرد پوست الکترونیکی ایجاد می‌کند.

هر چند وقت یک بار می‌توان از SPRABE-skin استفاده مجدد کرد و آیا دفع آن سازگار با محیط زیست است؟ 

چنگ: مدت زمان کارآمد، چرخه‌های استفاده مجدد و حفاظت از محیط زیست برای پوست الکترونیکی بسیار مهم است. آزمایش‌هایی روی SPRABE-skin انجام شده‌اند تا اطمینان حاصل شود که حداقل ۴۸ ساعت بدون جدا شدن و حفظ سیگنال پایدار به سطح پوست می‌چسبد. علاوه بر این، SPRABE-skin همچنان می‌تواند نیروی چسبندگی کافی را برای دستیابی به عملکرد حسی خوب پس از ۱۶ چرخه اتصال-جداسازی تضمین کند. پس از پایان یافتن مدت زمان سرویس، SPRABE-skin را می‌توان در اتانول خیس کرد تا پلی‌اورتان پایه آب حل شود و سپس، نانولوله‌های کربنی و مکسین را با سانتریفیوژ برای بازیافت جمع‌آوری کرد.

شما در پژوهش اخیر خود، توانایی SPRABE-skin را در جمع‌آوری داده‌های مورد نیاز برای نوار قلب نشان داده‌اید. این چه تفاوتی با نوار قلب معمولی دارد؟

چنگ: دریافت نوار قلب به صورت سنتی عمدتا توسط الکترود‌های ژل «Ag/AgCl» انجام می‌شود که می‌توانند سیگنال‌های پایدار را در شرایط استاتیک جمع‌آوری کنند، اما در شرایط دینامیک (مانند حرکات بدن و شرایط زیر آب) به اعوجاج شدید سیگنال یا حتی از دست دادن سیگنال دچار می‌شوند. SPRABE-skin می‌تواند مجموعه‌ای پایدار از سیگنال‌های نوار قلب را در شرایط پویا دریافت کند و با ارائه یک رابط قوی پوست-الکترود، اعوجاج سیگنال را سرکوب کند.

چگونه می‌توان از SPRABE-skin در محیط بالینی یا خانگی استفاده کرد؟

چنگ: از آنجا که SPRABE-skin می‌تواند با حرکت بی‌درنگ بدن و سیگنال‌های الکتروفیزیولوژیکی سازگار شود، می‌توان آن را در یک سیستم نظارت بی‌سیم پوشیدنی برای گروه‌های مسن و معلول ادغام کرد تا در تمام روز کاربرد داشته باشد. چنین برنامه‌های مبتنی بر SPRABE-skin می‌توانند بازخورد ثابتی را در رابطه با حرکت انسان و سیگنال‌های نوار قلب را برای گزارش کردن رویداد‌های تصادفی ارائه دهند.

آیا نسخه‌ای از SPRABE-skin را برای آینده تصور می‌کنید که شاید بتواند به عنوان یک پوست مصنوعی عمل کند و به افراد آسیب‌دیده در اثر سوختگی یا حوادث مشابه کمک کند؟

چنگ: سیستم‌های پوشیدنی مبتنی بر SPRABE-skin در حال حاضر برای دریافت سیگنال‌های بیومکانیکی و بیوالکتریکی طراحی شده‌اند که برای تجزیه‌وتحلیل بیشتر به تلفن‌های همراه هوشمند منتقل می‌شوند. برای این که SPRABE-skin بتواند به عنوان یک پوست مصنوعی عمل کند، باید یک سیستم محرک را با آن ادغام کنیم که سیگنال‌های لمسی روی SPRABE-skin را به لرزش یا تحریک الکتریکی قابل درک تبدیل می‌کند. این کار، چالش‌های جدیدی را در یکپارچه‌سازی و کوچک‌سازی سیستم و همچنین مدولاسیون سیگنال به همراه دارد.

آیا جهت‌گیری‌های پژوهشی دیگری نیز وجود دارند که بخواهید آن‌ها را در آینده انجام دهید؟

چنگ: برای پوست الکترونیکی، این عملکرد دارای ابعاد متعددی است که نه تنها به حس مکانیکی و سیگنال‌های الکتروفیزیولوژیکی محدود است، بلکه حس بصری و بویایی را نیز شامل می‌شود. علاوه بر این، خودترمیمی و قابلیت بازیافت سازگار با محیط زیست پوست‌های الکترونیکی نیز تمرکز پژوهشی ما در آینده است.

این پژوهش، در مجله «Advanced Functional Materials» به چاپ رسید.

منبع: ساینس نیوز