Электронная кожа станет основой носимых устройств будущего

Кожа — самый большой орган нашего тела и при этом один из сложнейших. Достаточно взглянуть на нее под микроскопом, и можно увидеть тысячи нервных окончаний, которые поддерживают связь мозга с внешним миром и позволяют чувствовать прикосновения, давление и боль. Но Бао Чжэнань видит в ней нечто иное.

Для инженера-химика со специализацией в производстве полимеров кожа — не только орган чувств, но и материал. Она отмечает гибкость, способность тянуться и восстанавливаться, а также биоразлагаемость. Бао работает в развивающейся области электронной кожи и поставила перед собой задачу воссоздать многие функции человеческой кожи для использования в протезировании и роботехнике.

Для тех, кто носит протезы, способность к осязанию существенно повысила бы качество жизни, позволив отличать мягкое от твердого и замечать острые или обжигающе горячие предметы прежде, чем получить какой-то ущерб.

В 2004 году, когда Бао поступила в Стэнфордский университет, несколько исследователей трудились над гибкими датчиками, которые можно было бы обернуть вокруг протеза и сымитировать ощущение прикосновений, и ее опыт с гибкими дисплеями был бы полезен в работе. К 2010 году Бао с коллегамии разработали гибкий датчик, настолько чувствительный, что он мог обнаружить прикосновение садящейся бабочки.

Наша кожа, которая создает естественный барьер, защищающий нас от окружающей среды, может также служить интерфейсом для взаимодействия между людьми и устройствами.

Кроме робототехники и протезов, считает Бао, электронную кожу можно использовать и в области носимых гаджетов. Представьте устройство, которое надевается как вторая кожа и с помощью датчиков точно измеряет кровяное давление, температуру или уровни глюкозы и кислорода в реальном времени.

«Существует большой интерес к носимым устройствам, которые могут не только измерить количество шагов за день или частоту сердечных сокращений», — говорит Бао.

Разработка на базе исследования лаборатории Бао в Стэнфорде может быть изготовлена и клинически протестирована в ближайшие несколько лет. Стартап из Кремниевой долины PyrAmes, сооснователем которой стала Бао, разрабатывает мягкую ленту, которая оборачивается вокруг запястья или стопы и может применяться для отслеживания кровяного давления недоношенных детей в отделениях интенсивной терапии.

Решение сможет заменить иглы, которые обычно используются для этого и создают риски инфекции, повреждения тканей и нервов. Затем браслет подключается по беспроводной сети к планшету для мониторинга изменений артериального давления в режиме реального времени.

Подобные технологии по умолчанию должны быть растяжимыми и гибкими. Учитывая это, команда исследователей Бао использовала молекулярный подход к разработке органических полимеров. Полимер — это большая молекула, которая состоит из множества повторяющихся мономеров, соединенных между собой как цепь скрепок для бумаги.

Изменяя структуру этих мономеров, исследователи могут сделать материал растяжимым и придать ему форму, позволяющую разместиться на теле человека или даже внутри него.

Бао уже несколько лет работает над электроникой, «вдохновленной кожей». С 2018 года она возглавляет факультет химической инженерии Стэнфорда, а также основала и руководит Стэнфордской инициативой по носимой электронике (eWEAR), общеуниверситетской программой, которая объединяет ученых, работающих в области материалов, электроники, систем, данных и медицинских наук, и связывает их с промышленностью.

У самой Бао в США зарегистрировано более 100 патентов, в том числе на датчик обнаружения бабочек.

Вместе с коллегами из Стэнфорда они также разрабатывают полимеры для дисплеев, которые смогут растягиваться, складываться и даже сминаться. В марте 2022 года, спустя более 3 лет работы, они опубликовали в журнале Nature доказательство принципа работы светоизлучающего полимера, который светится как нить накаливания в электрической лампочке.

Исследователи продемонстрировали, что устройство можно носить на суставе пальца, деформировать и растягивать в два раза больше длины, не разрывая. Прототип показывает лишь статичное изображение с низким разрешением, но он может стать основой для носимой электроники, которая будет измерять и отображать жизненно важные показатели.

Читайте по теме:

Надоело заряжать гаджеты? Шведская компания разработала компактные солнечные панели для электроники

В Стэнфорде разработали экзоскелет, который адаптируется к походке пользователя

Есть много потенциальных применений для электронной кожи, говорит Бао. Но путь к ее коммерческому использованию будет долгим. Тем не менее, она бы хотела разработать электронику, которая принесет пользу медицинской диагностике и здравоохранению в долгосрочной перспективе — будь то в виде протезов, носимых устройств или даже имплантов.

Ее внимание также сосредоточено на небольших шагах и успехах в разработке отдельных строительных блоков: датчиков, схем и гибких, эластичных и биоразлагаемых материалов, из которых они состоят.

«Для того, чтобы отрасль могла развиваться и иметь долгосрочную траекторию, мы также должны показать, что мы можем оказать влияние в ближайшем будущем», — говорит Бао.

Источник.

Фото на обложке: Yuqing Zheng