Naukowcy opracowali metodę wytwarzania adaptacyjnych i przyjaznych dla środowiska czujników, które można bezpośrednio i niezauważalnie wydrukować na szerokiej gamie powierzchni biologicznych, takich jak palec czy płatek kwiatu.
Metoda opracowana przez naukowców z Uniwersytetu w Cambridge czerpie inspirację z jedwabiu pajęczego, który dopasowuje się do różnych powierzchni i przylega do nich. Te „pajęcze jedwabie” zawierają również bioelektronikę, dzięki czemu do „sieci” można dodać różne możliwości wykrywania.
Włókna, co najmniej 50 razy mniejsze od ludzkiego włosa, są tak lekkie, że naukowcy wydrukowali je bezpośrednio na puszystej główce mniszka lekarskiego, nie naruszając jej struktury. Po wydrukowaniu na ludzkiej skórze czujniki światłowodowe dopasowują się do skóry i odsłaniają pory potu, dzięki czemu użytkownik nie wykrywa ich obecności. Testy włókien wydrukowanych na ludzkim palcu sugerują, że można je stosować jako ciągłe monitory stanu zdrowia.
Tę niskoodpadową i niskoemisyjną metodę ulepszania struktur mieszkalnych można zastosować w wielu dziedzinach, od opieki zdrowotnej i rzeczywistości wirtualnej po tekstylia elektroniczne i monitorowanie środowiska. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Electronics.
Chociaż ludzka skóra jest niezwykle wrażliwa, uzupełnienie jej czujnikami elektronicznymi może zasadniczo zmienić sposób, w jaki współdziałamy z otaczającym nas światem. Na przykład czujniki drukowane bezpośrednio na skórze można wykorzystać do ciągłego monitorowania stanu zdrowia, zrozumienia odczuć skórnych lub poprawić wrażenie „rzeczywistości” w grach lub aplikacjach wykorzystujących rzeczywistość wirtualną.
Chociaż technologie noszenia z wbudowanymi czujnikami, takie jak inteligentne zegarki, są powszechnie dostępne, urządzenia te mogą być niewygodne, natrętne i mogą zakłócać wewnętrzne odczucia skóry.
„Jeśli chcesz dokładnie wyczuć cokolwiek na powierzchni biologicznej, takiej jak skóra czy liść, interfejs między urządzeniem a powierzchnią ma kluczowe znaczenie” – powiedział profesor Yan Yan Shery Huang z Wydziału Inżynierii Cambridge, który kierował badaniami. „Chcemy także bioelektroniki, która jest całkowicie niezauważalna dla użytkownika, aby w żaden sposób nie zakłócała interakcji użytkownika ze światem, a także chcemy, aby była zrównoważona i wytwarzała mało odpadów”.
Istnieje wiele metod wytwarzania czujników do noszenia, ale wszystkie mają wady. Na przykład elastyczne elementy elektroniczne są zwykle drukowane na folii z tworzywa sztucznego, która nie przepuszcza gazów ani wilgoci, co przypomina owinięcie skóry folią spożywczą. Inni badacze opracowali niedawno elastyczną elektronikę, która jest przepuszczalna dla gazów, podobnie jak sztuczna skóra, ale nadal zakłóca ona normalne czucie i opiera się na technikach produkcji energochłonnych i generujących duże ilości odpadów.
Druk 3D to kolejna potencjalna droga dla bioelektroniki, ponieważ powoduje mniej marnotrawstwa niż inne metody produkcji, ale prowadzi do powstania grubszych urządzeń, które mogą zakłócać normalne zachowanie. W wyniku wirowania włókien elektronicznych powstają urządzenia niezauważalne dla użytkownika, ale pozbawione wysokiego stopnia czułości i wyrafinowania, które trudno przenieść na przedmiot.
Teraz zespół kierowany przez Cambridge opracował nowy sposób wytwarzania wysokowydajnej bioelektroniki, którą można dostosować do szerokiej gamy powierzchni biologicznych, od czubka palca po puszystą główkę nasion mniszka lekarskiego, drukując je bezpośrednio na tej powierzchni. Ich technika czerpie inspirację częściowo z pająków, które tworzą wyrafinowane i mocne struktury sieciowe dostosowane do ich środowiska, wykorzystując minimalną ilość materiału.
Naukowcy stworzyli swój bioelektroniczny „jedwab pajęczy” z PEDOT:PSS (biokompatybilnego polimeru przewodzącego), kwasu hialuronowego i tlenku polietylenu. Wysokowydajne włókna zostały wyprodukowane z roztworu na bazie wody w temperaturze pokojowej, co umożliwiło badaczom kontrolowanie „przędzenia” włókien. Następnie badacze zaprojektowali podejście do przędzenia orbitalnego, aby umożliwić włóknom przekształcanie się w żywe powierzchnie, nawet w mikrostruktury, takie jak odciski palców.
Testy włókien bioelektronicznych na powierzchniach, w tym ludzkich palcach i główkach nasion mniszka lekarskiego, wykazały, że zapewniają one wysoką jakość działania czujnika, pozostając jednocześnie niezauważalne dla gospodarza.
„Nasze podejście do przędzenia pozwala włóknom bioelektronicznym dopasowywać się do anatomii różnych kształtów, zarówno w skali mikro, jak i makro, bez konieczności rozpoznawania obrazu” – powiedział Andy Wang, pierwszy autor artykułu. „Otwiera to zupełnie inny punkt widzenia na produkcję zrównoważonej elektroniki i czujników. O wiele łatwiej jest produkować czujniki wielkopowierzchniowe”.
Większość czujników o wysokiej rozdzielczości jest wytwarzana w przemysłowych pomieszczeniach czystych i wymaga stosowania toksycznych środków chemicznych w wieloetapowym i energochłonnym procesie produkcyjnym. Czujniki opracowane przez Cambridge można wykonać w dowolnym miejscu i zużywają niewielką część energii wymaganej przez zwykłe czujniki.
Włókna bioelektroniczne, które można naprawić, można po prostu zmyć po upływie ich okresu użytkowania i wytwarzają mniej niż jeden miligram odpadów: dla porównania, typowy pojedynczy ładunek prania wytwarza od 600 do 1500 miligramów odpady włókniste.
„Dzięki naszej prostej technice produkcyjnej możemy umieścić czujniki niemal w dowolnym miejscu i naprawić je tam, gdzie są potrzebne, bez konieczności posiadania dużej maszyny drukarskiej lub scentralizowanego zakładu produkcyjnego” – powiedział Huang. „Te czujniki można wykonać na żądanie, dokładnie tam, gdzie są potrzebne, a przy tym wytwarzają minimalną ilość odpadów i emisji”.
Naukowcy twierdzą, że ich urządzenia można wykorzystać w zastosowaniach od monitorowania zdrowia i rzeczywistości wirtualnej po rolnictwo precyzyjne i monitorowanie środowiska. W przyszłości do tej metody drukowania światłowodowego można będzie włączyć inne materiały funkcjonalne, aby zbudować zintegrowane czujniki światłowodowe w celu rozszerzenia systemów żywych o funkcje wyświetlania, obliczeń i konwersji energii. Badania są komercjalizowane przy wsparciu Cambridge Enterprise, ramienia uniwersytetu zajmującego się komercjalizacją.
Badania były częściowo wspierane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, Wellcome, Towarzystwo Królewskie oraz Radę ds. Badań nad Biotechnologią i Naukami Biologicznymi (BBSRC), część brytyjskiej organizacji ds. badań i innowacji (UKRI).