Nowy materiał zaprojektowany przez naukowców z Wydziału Nauk Stosowanych i Inżynierii Uniwersytetu w Toronto łączy elastyczność ludzkiej skóry z lepszą przewodnością i tolerancją temperatur nawet do -93 ° C.
Substancja znana jako skóra jonowa lub iSkin, może ulepszyć szeroki zakres technologii – od ubieralnej elektroniki po miękką robotykę.
Substancja, która należy do rodziny materiałów zwanych hydrożelami, została szczegółowo opisana w artykule opublikowanym niedawno w czasopiśmie Advanced Functional Materials.
“Hydrożele są usieciowanymi polimerami, które są w stanie utrzymać dużo wody w swoich strukturach chemicznych” – mówi Binbin Ying, który obecnie kończy pracę podoktorską na MIT, ale kierował projektowaniem materiału podczas studiów podyplomowych na Uniwersytecie McGill i jednocześnie pracując jako wizytujący doktorant w laboratorium profesora inżynierii U of T Xinyu Liu.
“Wiele tkanek w naszym ciele to hydrożele, dlatego są one często stosowane w aplikacjach, w których ważna jest biokompatybilność, takich jak kosmetyki lub inżynieria tkankowa. Ale jeśli chcemy ich używać w miękkiej, elastycznej lub ubieralnej elektronice, musimy dodać nowe funkcjonalności, takie jak mechaniczna rozciągliwość i przewodność elektryczna. “
W zeszłym roku Ying i Liu zaprezentowali wcześniejszą iterację iSkin, która pokazała niektóre z jego możliwości: jest samozasilający, nietoksyczny i może rozciągać się do 400 procent swojego pierwotnego rozmiaru.
Co najważniejsze, zginanie materiału powoduje proporcjonalną zmianę jego przewodności. Umożliwia to przekształcenie ruchu fizycznego w analogiczny sygnał elektryczny.
“Fizjoterapeuta może przykleić go do kolana lub łokcia, aby zmierzyć, kiedy i o ile porusza się staw” – mówi Liu. “Umieściliśmy go również na rękawicy, co umożliwiło pomiar i śledzenie ruchów rąk, które z kolei mogą być używane do sterowania robotem. To bardzo wszechstronny sposób na ułatwienie wszelkiego rodzaju interakcji człowiek-maszyna. ”
Dzięki wkładowi studentów studiów licencjackich Ryan Chen, Runze Zuo i doktoranta Zhanfenga Zhou, naukowcy badają dalsze zastosowania iSkin. Na przykład dodanie łat materiału do chwytaka mechanicznego zapewnia zestaw sygnałów zwrotnych, które są unikalne dla każdego chwytanego przedmiotu. Analiza kombinacji sygnałów może następnie umożliwić robotowi “wyczucie” tego, co podnosi. W połączeniu z algorytmami sztucznej inteligencji robot może nawet nauczyć się rozróżniać przedmioty twarde od miękkich, okrągłe od sześciennych itp. – i odpowiednio je sortować.
Do tej pory iSkin miał wadę typową dla wszystkich hydrożeli: gdy woda w nim zamarza, powstałe kryształki lodu mogą poważnie uszkodzić złożoną matrycę polimerową.
Ying i członkowie jego zespołu rozwiązali problem, dodając glicerol, nietoksyczną substancję chemiczną powszechnie stosowaną we wszystkim, od żywności po żel do włosów. Po dokładnym przetestowaniu setek możliwych receptur opracowali nową formułę iSkin, która zwiększa tolerancję na zimno bez strat w innych właściwości materiału. Dodatkowo, nowa formuła umożliwia jeszcze łatwiejsze przyleganie hydrożelu zarówno do skóry, odzieży, jak i innych materiałów.
“Przykleiliśmy go do zewnętrznej części kurtki i wyszliśmy na zimę w Toronto, gdzie było 10 stopni poniżej zera” – mówi Ying. “Byliśmy w stanie wykonać te same rodzaje pomiarów, co w laboratorium”.”
Tolerancja na zimno i zwiększona lepkość dodatkowo zwiększają listę możliwych zastosowań materiału. Na przykład mechaniczny chwytak sortujący może teraz pracować w magazynie o niskiej temperaturze, w którym praca człowieka byłaby niewygodna.
Zespół przewiduje również inne możliwości, w tym miękkie roboty zaprojektowane do wspinania się po trudnym terenie w arktycznych środowiskach. W przyszłości planują kontynuować rozwój materiału i potencjalnie go miniaturyzować.