Výskumníci vyvinuli metódu na výrobu adaptívnych a ekologických senzorov, ktoré možno priamo a nepostrehnuteľne vytlačiť na širokú škálu biologických povrchov, či už je to prst alebo lupeň kvetu.

Metóda, ktorú vyvinuli výskumníci z University of Cambridge, čerpá inšpiráciu z pavúčieho hodvábu, ktorý sa dokáže prispôsobiť a prilepiť na celý rad povrchov. Tieto „pavúčie hodváby“ obsahujú aj bioelektroniku, takže do „pavučiny“ možno pridať rôzne možnosti snímania.

Vlákna, najmenej 50-krát menšie ako ľudský vlas, sú také ľahké, že ich výskumníci vytlačili priamo na našuchorenú hlavičku púpavy bez toho, aby sa jej štruktúra zrútila. Pri tlači na ľudskú pokožku sa vláknové senzory prispôsobia pokožke a odhalia potné póry, takže nositeľ ich prítomnosť nezistí. Testy vlákien vytlačených na ľudskom prste naznačujú, že by sa mohli použiť ako nepretržité monitory zdravia.

Táto nízkoodpadová a nízkoemisná metóda na rozširovanie živých štruktúr by sa dala použiť v rôznych oblastiach, od zdravotníctva a virtuálnej reality až po elektronické textílie a monitorovanie životného prostredia.

Hoci je ľudská pokožka pozoruhodne citlivá, jej rozšírenie o elektronické senzory by mohlo zásadne zmeniť spôsob, akým komunikujeme so svetom okolo nás. Napríklad senzory vytlačené priamo na kožu by sa mohli použiť na nepretržité monitorovanie zdravia, na pochopenie kožných pocitov alebo by mohli zlepšiť pocit „reality“ v hrách alebo aplikáciách virtuálnej reality.

Aj keď sú nositeľné technológie so zabudovanými senzormi, ako sú inteligentné hodinky, široko dostupné, tieto zariadenia môžu byť nepríjemné, rušivé a môžu potláčať vnútorné vnemy pokožky.

„Ak chcete presne snímať čokoľvek na biologickom povrchu, ako je koža alebo list, rozhranie medzi zariadením a povrchom je životne dôležité,“ povedal profesor Yan Yan Shery Huang z Cambridge’s Department of Engineering, ktorý viedol výskum. „Chceme tiež bioelektroniku, ktorá je pre používateľa úplne nepostrehnuteľná, takže žiadnym spôsobom nezasahuje do interakcie používateľa so svetom a chceme, aby bola udržateľná a s nízkym odpadom.“

Existuje niekoľko spôsobov výroby nositeľných senzorov, ale všetky majú nevýhody. Napríklad flexibilná elektronika je bežne vytlačená na plastových fóliách, ktoré neprepúšťajú plyn ani vlhkosť, takže by to bolo ako zabaliť pokožku do lepiacej fólie. Iní výskumníci nedávno vyvinuli flexibilnú elektroniku, ktorá je priepustná pre plyny, ako umelá koža, ale stále narúša normálny pocit a spolieha sa na výrobné techniky náročné na energiu a odpad.

3D tlač je ďalšou potenciálnou cestou pre bioelektroniku, pretože je menej nehospodárna ako iné výrobné metódy, ale vedie k hrubším zariadeniam, ktoré môžu narúšať normálne správanie. Točenie elektronických vlákien vedie k zariadeniam, ktoré sú pre používateľa nepostrehnuteľné, ale bez vysokého stupňa citlivosti alebo sofistikovanosti a je ťažké ich preniesť na predmetný predmet.

Tím pod vedením Cambridge teraz vyvinul nový spôsob výroby vysoko výkonnej bioelektroniky, ktorú možno prispôsobiť širokému spektru biologických povrchov, od končeka prsta až po našuchorenú hlavičku púpavy, a to ich vytlačením priamo na tento povrch. Ich technika je čiastočne inšpirovaná pavúkmi, ktorí vytvárajú sofistikované a silné štruktúry, prispôsobené ich prostrediu s použitím minimálneho materiálu.

Výskumníci vyrobili svoj bioelektronický „pavúčí hodváb“ z PEDOT:PSS (biokompatibilný vodivý polymér), kyseliny hyalurónovej a polyetylénoxidu. Vysokovýkonné vlákna boli vyrobené z vodného roztoku pri izbovej teplote, čo umožnilo výskumníkom kontrolovať „zvlákňovateľnosť“ vlákien. Výskumníci potom navrhli prístup orbitálneho zvlákňovania, ktorý umožňuje vláknam premeniť sa na živé povrchy, dokonca aj na mikroštruktúry, ako sú odtlačky prstov.

Testy bioelektronických vlákien na povrchoch vrátane ľudských prstov a hlavičiek púpavy ukázali, že poskytujú vysokokvalitný výkon senzora, pričom zostávajú pre hostiteľa nepostrehnuteľné.

„Náš prístup k zvlákňovaniu umožňuje bioelektronickým vláknam sledovať anatómiu rôznych tvarov, v mikro aj makro meradle, bez potreby rozpoznávania obrazu,“ povedal Andy Wang, prvý autor článku. „Otvára to úplne iný uhol pohľadu na to, ako sa dá vyrobiť udržateľná elektronika a senzory. Je to oveľa jednoduchší spôsob výroby veľkoplošných senzorov.“

Väčšina snímačov s vysokým rozlíšením sa vyrába v priemyselnej čistej miestnosti a vyžaduje toxické chemikálie vo viacstupňovom a energeticky náročnom výrobnom procese. Senzory vyvinuté v Cambridge sa dajú vyrobiť kdekoľvek a spotrebúvajú len nepatrný zlomok energie, ktorú vyžadujú bežné senzory.

Bioelektronické vlákna, ktoré sú opraviteľné, sa dajú jednoducho vyprať, keď dosiahnu koniec svojej životnosti, a vytvárajú menej ako jeden miligram odpadu: na porovnanie, typická jedna náplň bielizne vyprodukuje 600 až 1 500 miligramov vláknitý odpad.

„Pomocou našej jednoduchej výrobnej techniky môžeme umiestniť senzory takmer kdekoľvek a opraviť ich tam, kde a kedy to potrebujú, bez toho, aby sme potrebovali veľký tlačový stroj alebo centralizované výrobné zariadenie,“ povedal Huang. „Tieto senzory môžu byť vyrobené na požiadanie presne tam, kde sú potrebné, a produkujú minimálny odpad a emisie.“

Vedci tvrdia, že ich zariadenia by mohli byť použité v aplikáciách od monitorovania zdravia a virtuálnej reality až po presné poľnohospodárstvo a monitorovanie životného prostredia. V budúcnosti by sa do tejto metódy vláknitej tlače mohli začleniť ďalšie funkčné materiály, aby sa vytvorili integrované vláknové senzory na rozšírenie živých systémov o funkcie zobrazenia, výpočtu a konverzie energie. Výskum sa komercializuje s podporou Cambridge Enterprise, pobočky univerzity.

Zdroj: www.nanowerk.com