"Электронная кожа": обзор современных решений

Носимые устройства, получившие общее условное наименование "электронная кожа", сегодня разрабатываются многими командами ученых по всему миру и уже успели зарекомендовать себя в качестве удобных решений, помогая следить за жизненными показателями, например, недоношенных младенцев, и увлажнением кожи у спортсменов. Другие подобные разработки предназначен для того, чтобы придать роботам способность осязания как у человека. Но независимо от того, предназначены ли они для людей или для роботов, создание таких устройств представляет собой серьезную химическую и инженерную проблему: электронные компоненты, как правило, хрупкие и негибкие, а человеческая кожа - податливая, но трудная во взаимодействии основа.

Гибкая и чувствительная электроника

"Электронная кожа" имеет свои корни в компонентах, используемых в электронных книжных ридерах и изогнутых телевизорах, разработанных учеными, работающими над гибкими материалами или полимерами на основе углерода, проводящими электричество.

Один из самых ранних успехов в этой области был достигнут в 2004 году, когда команда японских ученых из Токийского университета разработала гибкую заплатку размером в 8 см², предназначенную для использования в качестве "кожи" руки робота. Это гибкое и тонкое устройство было сделано из слоя высокоэффективного полиимидного пластика, чувствительного к давлению, органического полупроводника, называемого пентаценом, и слоев золотых и медных электродов. На заплатке размещался массив крошечных сенсоров давления (32 × 32), что позволяло току течь непрерывно, даже когда он был обернут вокруг цилиндрического стержня диаметром 4 миллиметра. И это дало роботам то, чего у них никогда не было: ощущение прикосновения от способности реагировать на давление.

Но кожа должна быть не только эластичной, но и упругой, способной реагировать на легкое прикосновение. В 2005 году японские ученые решили эту проблему, превратив относительно жесткий полиимидный полимер в пряди, а затем в сетку. Под натяжением пряди скручиваются, позволяя исследователям растягивать сетку по поверхности, например яйца. Натянутая сетка смогла ощутить изменения давления, воздействующего на яйцо от контакта с резиновым блоком. Добавление в сетку органических полупроводниковых диодов позволило также измерять температуру.

Другую технологию разработала группа ученых из Пхоханского университета науки и технологии (Корея), которая создала мультимодальную ионно-электронную кожу, которая может одновременно измерять температуру и механическую стимуляцию за счет применения специальных свойств ионных проводников.

Человеческая кожа свободно растягивается, но не повреждается при этом, поскольку она полна электролитов, поэтому ученые сделали сенсор также с их помощью. Они воспользовались тем, что материал ионного проводника, содержащий электролит, может иметь различные измеряемые свойства в зависимости от частоты измерения. На основе нового открытия был создан многофункциональный искусственный рецептор, который может одновременно измерять тактильные ощущения и температуру.

Такой искусственный рецептор с простой электродно-электролитной структурой имеет большой потенциал коммерциализации и точно измеряет температуру объекта, а также направление или профиль деформации при воздействии внешних раздражителей, таких как сдавливание, защемление, движение и скручивание.

В Северо-Западном университете (США) эту же проблему также решили по-другому. Там ученые сосредоточились на создании ультратонких структур из твердых, неорганических материалов, часто в нанометровом масштабе. В 2006 году исследователи разработали способ создания субмикрометровых лент из монокристаллического кремния и связывания их под напряжением с основой из резинового полидиметилсилоксана. Когда напряжение снимается, кремний деформируется в волнистые волны, которые могут сплющиваться (но не ломаться) по мере деформации материала.

Прикрепи и забудь

При создании "электронной кожи" существует два вида проблем - проблемы химии, которые решаются с помощью инженерии, и инженерные проблемы, нуждающиеся в помощи химиков. Нелегко поддерживать контакт между электродом и человеком, потому что кожа растягивается, морщится и сгибается по мере того, как люди двигаются. Гели могут удерживать электрод на месте, но не долго, потому что гели водянистые и со временем высыхают.

Одно из возможных решений представляют собой ионные жидкости. Изготовленные из солей, которые являются жидкими при комнатной температуре, ионные жидкости медленно испаряются, и хорошо проводят электрический ток. В 2014 году ученые из Кембриджского университета (Великобритания) объединили ионную жидкость под названием 1-этил-3-метилимидазолий этилсульфат с полимером. Это создало гель, способный удерживать золотой электрод и проводящий полимер. Получившееся в результате устройство сохраняло свои электрические характеристики в течение трех дней.

Но такие устройства также могут удерживать пот и блокировать обмен воздуха, что вызывает раздражение при ношении. Они также хрупки, что означает, что их нельзя использовать в течение длительного времени.

Для устранения этих недостатков в 2017 году японские ученые из Токийского университета пришли к идее пористого датчика, использующего сетку из гибких золотых волокон толщиной всего 300-500 нм6. Они использовали сетку из поливинилового спирта (ПВС), на которую нанесли рисунок схемы из золотых проводников. Промыв водой эту "конструкцию", они вымыли ПВС и получили гибкую, газонепроницаемую и негорючую электронную схему, которую можно закрепить на теле и забыть о ее существовании. В прошлом году японцы сообщила об использовании одной из таких конструкций для измерения частоты сердцебиения за счет контроля вибрации, которые оно индуцирует в груди (метод сейсмокардиографии), в течение 10 часов.

Чувствительность к изменениям

В Стэнфордском университете (США) химик Чжэнан Бао также разрабатывает "электронную кожу". Но вместо того, чтобы создавать сенсоры, а затем делать их совместимыми с кожей, она использует молекулярный подход - сразу разрабатывает органические полимеры и электронные компоненты с учетом необходимой гибкости.

Бао разработала прототип устройства, позволяющего чувствовать гормональные изменения в потоотделении, в частности, уровень кортизола - важного индикатора стресса, который можно использовать для оценки тревожности и депрессии. Но эта технология также может быть использована для создания органической электроники, размещенной внутри тела, чтобы помочь, например, исправить поврежденные нервы, и это устройство будет изменяться по мере того, как изменяется тело.

В настоящее время специалисты Стэнфорда могут создавать почти все компоненты электронных устройств, в качестве которых до сих пор используется традиционная неорганическая электроника, но с помощью гибких материалов, похожих на кожу.

Бао создает свои материалы из ряда полимеров, которые обладают различными проводящими свойствами и биоразлагаемостью. Американские ученые из Стэнфордского университета создали "электронную кожу", которая настолько чувствительна, что может предоставить рукам робота способность брать ягоды, не повреждая их.

Эта "электронная кожа" обладает способностью измерения минимального давления и даже направления, в котором оно приложено, что дает достаточное количество информации для пары роботизированных пальцев, чтобы они могли манипулировать мягкими и нежными объектами, не повреждая их. Она может также измерять температуру и имеет другие встроенные сенсоры, которые способны дать роботизированной руке свойства, очень похожие на те, которыми обладает рука человека.

Кончики пальцев из "электронной кожи" имеют выступы и бороздки, очень похожие на те, что есть на наших руках и которые обеспечивают нас отпечатками пальцев, и это то, что дает "электронной коже" возможность ощущать направление, когда она движется. Ученые переделали свою технологию в перчатку, которая может мягко надавить на малину, не раздавливая ее.

Бао продолжает развивать концепцию создания датчиков, которые могут работать внутри тела. Специалисты ее команды разработали беспроводной биоразлагаемый датчик, который можно обернуть вокруг кровеносных сосудов и непрерывно контролировать кровоток после операции. Для считывания сигнала - обнаруженного как изменение емкости при прохождении крови через артерию - команда добавила внешнюю катушку, установленную рядом с кожей, которая передает радиосигнал на удаленный приемник.

Быть как человеческая кожа

Ученые из Мельбурнского королевского технологического университета (Австралии) используют неорганический подход, как это делают в Северо-Западном университете (США). Они используют металлы, такие как оксиды стронция, ванадия или титана, для создания искусственной кожи, которая может чувствовать боль. Например, такой материал можно использовать для покрытия протезов.

Оксиды металлов уже широко используются в электронике и имеют широкий спектр применения. Но они также хрупки при нагревании.

В 2013 году ученые с помощью очень сложного процесса смешала оксидные покрытия с эластичными каучуками, такими как силикон, для создания растяжимого электронного материала. В результате материал может быть растянут до 15%, но все же сохранить свои электрические свойства. Это происходит благодаря крошечным пластинчатым структурам в металлооксидной пленке, которые трескаются в маленьких пластинах, скользящих друг над другом, позволяя току протекать даже при деформации материала.

В прошлом году австралийские ученые создали материал, который может имитировать реакцию кожи на избыточное тепло, давление и боль, а также реакцию мозга на это.

Он примечателен тем, что воспроизводит реакцию реальной кожи на раздражители, которые посылают соответствующие электрические сигналы по нейронным путям в мозг. Технология предназначена для передачи тактильных ощущений через протезы рук и ног, и может даже помочь заменить кожные трансплантаты искусственными аналогами.

По данным разработчиков, этот материал имитирует то, как наша кожа обнаруживает боль, посылая сигналы так же быстро, как и здоровые нервы.

Ученые изготовили три отдельных прибора, один из которых чувствует давление, другой - температуру и третий - боль, хотя технология в принципе позволяет объединить их в одно целое. Это потребовало нового подхода к растягивающейся электронике, использующей оксидные материалы в сочетании с силиконом, чтобы сделать систему, которую можно сгибать и разгибать. Было разработано специальное термочувствительное покрытие, которое может быстро трансформироваться, то есть то, что можно сразу же измерить с помощью электроники. Последним необходимым компонентом были специализированные ячейки памяти, которые используются для принятия решения о том, как обрабатывать сенсорные данные и посылать правильные сигналы при достижении предельных значений.

По сути, австралийцы создали первые электронные соматосенсоры - воспроизводящие ключевые особенности сложной системы нейронов, нейронных путей и рецепторов организма, которые определяют наше восприятие сенсорных стимулов.

Технологический трансфер

Хотя это кажется научной фантастикой, но некоторые устройства на основе "электронной кожи" уже используются.

Например, сенсорный патч под названием BioStamp nPoint может быть использован в домашних условиях для мониторинга пациентов и помощи в клинических испытаниях путем сбора огромного количества данных о жизненных показателях участников. Это система закрепляется на теле пациента и может в непрерывном режиме записывать параметры здоровья, такие как частота сердцебиения, количество шагов, движения во время сна.

Система поставляется вместе со смартфоном, на котором установлено приложение, инструктирующее пользователей о том, как использовать сенсор, выполнять определенные действия, и обо всем, что относится к конкретному исследованию или состоянию здоровья. Со стороны врача используется планшет со своим собственным приложением, которое позволяет отслеживать сразу многих пациентов, а также программировать и контролировать сенсоры.

В 2019 году ученые из Северо-Западного университета (США) представили беспроводной датчик размером с наклейку, который можно использовать для мониторинга недоношенных детей в отделениях реанимации и интенсивной терапии новорожденных. Он заменил необходимость в многочисленных проводах для мониторинга и облегчил родителям возможность наблюдения за своими малышами, пока они находятся в больнице.

В 2015 году группа ученых из Токийского университета создала компанию под названием Xenoma, которая использует датчики из "электронной кожи" в умной одежде. Сюда входит пижама, которая может контролировать температуру тела и подключаться к блоку кондиционирования для регулировки комнатной температуры или предупреждать аварийно-спасательные службы и членов семьи, если пользователь упал.

Тонкие сенсорные устройства для мониторинга здоровья

 Китайские ученые разработали искусственную "электронную кожу", основанную на графене, которая может функционировать как носимое устройство. Система использует тонкий, гибкий и растягивающийся материал, который имитирует человеческую кожу и может чувствовать давление, температуру и напряжение.

Электронное устройство закрепляется на человеческой коже, например, на горле для того, чтобы проводить измерения сигналов тела, таких как дыхание, сердцебиение и голос. Оно отличается высокой чувствительностью и долговременной стабильностью, может выдерживать высокую температуру и вполне удобна для ношения. Разработчики убеждены, что "электронная кожа" имеет большой потенциал для использования в здравоохранении и в системах на базе алгоритмов искусственного интеллекта.

Ученые из корейского Института науки и технологии (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology) разработали супертонкое носимое устройство, которое может записывать данные о здоровье, такие как частота биения сердца и дыхания, мышечные движения, а также другие ключевые данные, считывая их через кожу. Эта похожая на сверхтонкий пластырь система способна контролировать здоровье на основании анализа полученных сигналов тела. Само устройство содержит порядка 50 отдельных компонентов, которые объединены в сеть с помощью 250 миниатюрных проводников в форме спиралей, встроенных в изолирующий силикон.

Полученная информация может беспроводным путем передаваться врачу или в облачное хранилище посредством мобильного приложения.

Устройство получает питание беспроводным способом, что помогает значительно уменьшить его размеры и компоновку, кроме того, ученые провели специальные исследования и расположили электронные компоненты таким образом, чтобы избежать интерференции сигналов.

А исследователи из Колорадского университета в Боулдере (США) разработали "электронную кожу", которая обладает способностью самостоятельно восстанавливаться после повреждений, а также полностью перерабатываться, когда становится ненужной. Эта "электронная кожа" может использоваться для измерения давления, прикладываемого на ее поверхность, температуры, влажности и даже воздушного потока.

Она изготовлена из полиимина (polyimine), недавно созданного полимера, изготовленного из смеси терефтальальдегида, диэтилентриамина и трис(2-аминоэтил)амина с этанолом, в который введены серебряные наночастицы. Серебро действует как электрический проводник, но также усиливает материал и обеспечивает его химическую стойкость.

При небольшом разрыве датчика на место повреждения нужно нанести полиимин, а затем немного подождать. При комнатной температуре восстановление повреждения займет 30 минут, а при нагреве до 80 градусов Цельсия и увеличении давления — всего 10 минут (но это возможно, естественно, не на человеческом теле). После этого химические связи восстановятся, и сенсор продолжит работу в обычном режиме.

Трудности

Носимая электроника - это сложные для разработки и производства решения. Для функционирования "электронной кожи" длительный и тесный контакт с кожей необходим, чем собственно такие устройства и отличаются от современных носимых устройств на основе жестких и хрупких элементов.

Это создает значительную проблему для материаловедов, которым необходимо решать задачу объединения всех этих материалов и обеспечения их функционирования. Кроме того, существуют трудности управления интерфейсами и механическое несоответствие между твердыми и мягкими материалами.

Тем не менее реальные системы на основе такой технологии уже создаются и используются в различных клинических условиях. Это и устройства для мониторинга биомаркеров пота у людей с муковисцидозом, проверки увлажненности кожи при определенных кожных заболеваниях и оценки воздействия УФ-излучения, например, у людей с меланомой. Разрабатываются датчики, которые отслеживают давление и температуру между кожей и протезом.

В обзоре использованы материалы Nature, Medgadget.com, POSTECH, ACS Publications, Digital Journal, Sivpost.