Невидимые, экологически чистые датчики для крепления на коже, вдохновленные паучьим шелком

Эндрю Корселли

Датчики, напечатанные на человеческих пальцах. (Изображение:Huang Lab, Кембридж)

Исследователи разработали метод создания адаптивных и экологически чистых датчиков, которые можно напрямую и незаметно напечатать на самых разных биологических поверхностях, будь то палец или лепесток цветка.

Метод, разработанный исследователями из Кембриджского университета, основан на паутине, которая может прилегать к различным поверхностям и прилипать к ним. Эти «паучьи шелка» также включают в себя биоэлектронику, так что к «паутине» можно добавить различные сенсорные возможности.

«Одной из самых больших задач было отказаться от существующих методов производства и разработать вращающийся механизм для производства волоконных датчиков», — рассказал Tech Briefs руководитель исследования и профессор Ян Ян Шери Хуанг. в эксклюзивном интервью.

Волокна, которые как минимум в 50 раз меньше человеческого волоса, настолько легкие, что исследователи напечатали их прямо на пушистой семенной головке одуванчика, не разрушая ее структуру. При печати на коже человека волоконные датчики прилегают к коже и обнажают потовые поры, поэтому пользователь не замечает их присутствия. Испытания волокон, напечатанных на пальце человека, позволяют предположить, что их можно использовать в качестве непрерывных мониторов здоровья.

«Первоначальная идея была вдохновлена комбинацией электронных скинов и паучьего шелка», — добавил Хуанг.

Этот малоотходный и низкоэмиссионный метод увеличения живых структур может быть использован в самых разных областях:от здравоохранения и виртуальной реальности до электронного текстиля и мониторинга окружающей среды. Результаты опубликованы в журнале Nature Electronics.   .

«Сначала готовится водный раствор, состоящий из проводящих частиц, гиалуроновой кислоты и полимерного связующего», — объяснил Хуанг процесс. "Затем этот раствор подается в наконечник шприца, где на кончике создается крошечная подвесная капля. Затем вращающийся рычаг вступает в контакт с подвесной каплей, которая растягивает каплю в чувствительное волокно".

Хотя человеческая кожа чрезвычайно чувствительна, дополнение ее электронными датчиками может фундаментально изменить то, как мы взаимодействуем с окружающим миром. Например, датчики, напечатанные непосредственно на коже, можно использовать для непрерывного мониторинга здоровья, понимания ощущений кожи или улучшить ощущение «реальности» в играх или приложениях виртуальной реальности.

Хотя носимые устройства со встроенными датчиками, такие как умные часы, широко доступны, эти устройства могут быть неудобными, навязчивыми и подавлять внутренние ощущения кожи.

Существует множество способов изготовления носимых датчиков, но все они имеют недостатки. Гибкая электроника, например, обычно печатается на пластиковых пленках, которые не пропускают газ или влагу, поэтому это все равно, что обернуть кожу пищевой пленкой. Другие исследователи недавно разработали гибкую газопроницаемую электронику, например, искусственную кожу, но они по-прежнему мешают нормальным ощущениям и основаны на энергоемких и трудоемких технологиях производства.

3D-печать — еще один потенциальный путь развития биоэлектроники, поскольку он менее расточителен, чем другие методы производства, но приводит к созданию более толстых устройств, которые могут мешать нормальному поведению. В результате вращения электронных волокон создаются устройства, незаметные для пользователя, но не обладающие высокой степенью чувствительности и сложности, и их трудно перенести на рассматриваемый объект.

Теперь команда под руководством Кембриджа разработала новый способ создания высокопроизводительной биоэлектроники, которую можно адаптировать к широкому спектру биологических поверхностей, от кончика пальца до пушистой головки одуванчика, путем печати их непосредственно на этой поверхности. Их техника частично вдохновлена пауками, которые создают сложные и прочные паутины, адаптированные к окружающей среде, используя минимальное количество материала.

Исследователи создали свой биоэлектронный «паучий шелк» из PEDOT:PSS (биосовместимого проводящего полимера), гиалуроновой кислоты и полиэтиленоксида. Высокопроизводительные волокна были изготовлены из раствора на водной основе при комнатной температуре, что позволило исследователям контролировать «прядимость» волокон. Затем исследователи разработали метод орбитального прядения, позволяющий волокнам трансформироваться в живые поверхности, вплоть до микроструктур, таких как отпечатки пальцев.

Испытания биоэлектронных волокон на поверхностях, включая человеческие пальцы и семенные головки одуванчика, показали, что они обеспечивают высококачественную работу сенсора, оставаясь при этом незаметными для хозяина.

«Следующим непосредственным шагом будет создание сценариев на основе приложений, чтобы определить, какая часть сенсорной системы должна быть изготовлена из незаметных волокон, а остальная часть может использовать существующие микроизготовленные устройства/электронный текстиль», — отметил Хуанг.