Σύνοψη
- Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Turku ανέπτυξαν ηλεκτρονικό δέρμα (e-skin) με υψηλή διαπερατότητα, βασισμένο στις δομές των φύλλων των δέντρων.
- Η τεχνολογία χρησιμοποιεί βιομιμητικά μικροφράκταλ και νανοκαλώδια αργύρου (AgNW), επιτυγχάνοντας διαφάνεια άνω του 80% και υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα.
- Το νέο e-skin επιτρέπει την ακριβή αίσθηση αφής και πίεσης σε μαλακά ρομπότ (soft robots) και έξυπνα προσθετικά μέλη.
- Η κατασκευή βασίζεται σε βιώσιμα, φιλικά προς το περιβάλλον υλικά, με στόχο τη μείωση της χρήσης συμβατικής σιλικόνης στη ρομποτική βιομηχανία.
- Ο σχεδιασμός επιτρέπει την εξάτμιση του ιδρώτα, καθιστώντας τους επιδερμικούς αισθητήρες κατάλληλους για μακροχρόνια, συνεχή χρήση πάνω στο ανθρώπινο σώμα.
Η ανάπτυξη των εύκαμπτων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων (flexible electronics) αποτελεί τη θεμελιώδη βάση για την επόμενη γενιά ιατρικών ρομπότ και προηγμένων προσθετικών μελών. Ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου του Turku στη Φινλανδία παρουσίασε μια νέα μέθοδο κατασκευής ηλεκτρονικού δέρματος (e-skin) που αντλεί έμπνευση απευθείας από τη φύση, μιμούμενη τη μικροσκοπική δομή των φύλλων των δέντρων, με στόχο να προσφέρει αίσθηση αφής σε ρομποτικά συστήματα και προσθετικά άκρα, διατηρώντας παράλληλα χαμηλό περιβαλλοντικό αποτύπωμα.
Το νέο ηλεκτρονικό δέρμα του Πανεπιστημίου του Turku είναι ένας βιομιμητικός επιδερμικός αισθητήρας κατασκευασμένος από μικροφράκταλ και νανοκαλώδια αργύρου (AgNW). Παρέχει διαφάνεια άνω του 80%, ηλεκτρική αντίσταση επιφανείας κάτω από 20 Ω/sq και υψηλή αναπνευσιμότητα. Ο σχεδιασμός του επιτρέπει την ενσωμάτωση δυνατοτήτων αφής και πίεσης σε προσθετικά μέλη και μαλακά ρομπότ φροντίδας υγείας.
Για την ανάπτυξη αυτού του εξαιρετικά λεπτού και ανθεκτικού υλικού, οι ερευνητές τροποποίησαν την παραδοσιακή μέθοδο electrospinning. Αντικατέστησαν τον τυπικό συλλέκτη ινών με έναν μεταλλικό βιοτικό συλλέκτη, ο οποίος επιτρέπει την ακριβή αντιγραφή μικροδομών που συναντώνται στη φύση. Το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία βιομιμητικών μικροφράκταλ τα οποία παρουσιάζουν ποσοστό ακρίβειας αναπαραγωγής της τάξης του 90%.
Αυτή η δομή δεν είναι μόνο αισθητικά ή δομικά ενδιαφέρουσα, αλλά εξυπηρετεί εξαιρετικά κρίσιμους μηχανικούς σκοπούς. Για να καταστεί το υλικό αγώγιμο και χρήσιμο ως αισθητήρας, οι επιστήμονες εφάρμοσαν μια απλή, βασισμένη σε ψεκασμό, μέθοδο ακινητοποίησης νανοκαλωδίων αργύρου (AgNW) επάνω στα μικροφράκταλ. Έτσι προέκυψαν τα Βιομιμητικά Αγώγιμα Φρακταλικά Μοτίβα (BCFP). Εκτός από τα εντυπωσιακά τεχνικά χαρακτηριστικά της αγωγιμότητας και της διαφάνειας, η ελεύθερη (freestanding) δομή των BCFP τα καθιστά ιδανικά για άμεση εφαρμογή πάνω στο ανθρώπινο δέρμα.
Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα των προηγούμενων γενεών ηλεκτρονικού δέρματος ήταν η αδυναμία διαπνοής, η οποία προκαλούσε ερεθισμούς και δυσλειτουργία των αισθητήρων μετά από λίγες ώρες χρήσης. Η νέα μικροφρακταλική δομή επιτρέπει την ελεύθερη εξάτμιση του ιδρώτα, γεγονός που σημαίνει ότι οι επιδερμικοί αυτοί αισθητήρες μπορούν να παραμείνουν στο ανθρώπινο σώμα ή στον χρήστη ενός προσθετικού μέλους για παρατεταμένα χρονικά διαστήματα χωρίς καμία δυσφορία.
Η δυνατότητα προσθήκης αίσθησης αφής σε μια μηχανή αποτελεί θεμελιώδη τεχνική απαίτηση για την επόμενη φάση της ρομποτικής. Οι ερευνητές απέδειξαν τη λειτουργικότητα του BCFP κατασκευάζοντας έναν απτικό αισθητήρα πίεσης. Όταν αυτός ενσωματώθηκε σε ένα ρομποτικό χέρι, το σύστημα μπόρεσε να καταγράψει την επαφή με εξωτερικά αντικείμενα, μετατρέποντας την απλή μηχανική κίνηση σε μια αλληλεπίδραση που βασίζεται σε συνεχή ανάδραση. Επιπλέον, το σύστημα δοκιμάστηκε επιτυχώς στην παρακολούθηση ανθρώπινων χειρονομιών, στοιχείο κομβικό για τον μελλοντικό έλεγχο διεπαφών ανθρώπου-μηχανής.
Τα μαλακά ρομπότ, τα οποία σταδιακά εντάσσονται στο περιβάλλον των νοσοκομείων, της βιομηχανίας και των υπηρεσιών διάσωσης, βασίζονται σε αυτήν ακριβώς την τεχνολογία. Ένα ρομπότ φροντίδας που προορίζεται να αναλάβει βαριές εργασίες, όπως η ανύψωση και η μεταφορά ασθενών από το κρεβάτι, πρέπει να διαθέτει σώμα κατασκευασμένο από μαλακά υλικά, προκειμένου να εξασφαλίζεται η απόλυτη ασφάλεια κατά την επαφή με τον άνθρωπο. Το νέο ηλεκτρονικό δέρμα επιτρέπει σε αυτά τα ρομπότ να «καταλαβαίνουν» πόση πίεση ασκούν στο σώμα του ασθενούς, προσαρμόζοντας δυναμικά τη δύναμη τους σε πραγματικό χρόνο.
Αντίστοιχα, στον τομέα των προσθετικών μελών, το e-skin προσφέρει στους ακρωτηριασμένους ασθενείς τη δυνατότητα να ανακτήσουν ένα επίπεδο κιναισθητικής και απτικής αντίληψης. Αντί να χειρίζονται ένα άκαμπτο μηχανικό άκρο βασισμένο αποκλειστικά στην οπτική επαφή, η εφαρμογή του ηλεκτρονικού δέρματος επιτρέπει τη λήψη δεδομένων για τη θερμοκρασία, την υφή και το βάρος των αντικειμένων.
Ιστορικά, η κατασκευή εύκαμπτων ηλεκτρονικών και μαλακών ρομπότ απαιτούσε τη χρήση βαρέων πολυμερών και παχύτερων στρωμάτων σιλικόνης, επιβαρύνοντας το περιβάλλον. Η ομάδα του Πανεπιστημίου του Turku εστιάζει στην ενσωμάτωση εξαιρετικά λεπτών, φιλικών προς το περιβάλλον βιοϋλικών που θα μειώσουν την εξάρτηση της βιομηχανίας από παράγωγα του πετρελαίου. Η χρήση υλικών υψηλής απόδοσης με τη μικρότερη δυνατή χρήση πόρων αποτελεί τον κεντρικό άξονα της νέας κατασκευαστικής φιλοσοφίας.
Το κρίσιμο στοίχημα για την εμπορική αξιοποίηση της τεχνολογίας παραμένει η αντοχή των νανοκαλωδίων αργύρου στη μηχανική φθορά από την καθημερινή τριβή, ειδικά αν το ηλεκτρονικό δέρμα τοποθετηθεί σε σημεία έντονης καταπόνησης όπως οι αρθρώσεις ή οι παλάμες ενός ρομποτικού βραχίονα. Εάν το e-skin διατηρήσει την απόδοση του σε βάθος χρόνου υπό πραγματικές συνθήκες φορτίου, τότε βρισκόμαστε μπροστά στο υλικό που θα αποτελέσει το πρότυπο της ιατρικής ρομποτικής για την επόμενη δεκαετία.
*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!
