Το «έξυπνο δέρμα» που ανέπτυξε η Anna Maria Coclite μοιάζει πολύ με το ανθρώπινο δέρμα. Αισθάνεται ταυτόχρονα πίεση, υγρασία και θερμοκρασία και παράγει τα αντίστοιχα ηλεκτρονικά σήματα. Έτσι, θεωρείται πολύ πιθανή πλέον η δημιουργία ρομπότ και προσθετικών μελών με περισσότερη ευαισθησία αφής.
Το δέρμα είναι το μεγαλύτερο αισθητήριο όργανο και ταυτόχρονα το προστατευτικό κάλυμμα του ανθρώπινου σώματος. Μπορεί να αντιληφεί ταυτόχρονα πολλά ερεθίσματα και να τροφοδοτήσει τον εγκέφαλο με πληροφορίες για την υγρασία, τη θερμοκρασία και την πίεση. Για την Anna Maria Coclite, ένα υλικό με τέτοιες πολυαισθητηριακές ιδιότητες είναι «ένα είδος «ιερού δισκοπότηρου» για την τεχνολογία των ευφυών τεχνητών υλικών. Συγκεκριμένα, οι κλάδοι της ρομποτικής και της προσθετικής “έξυπνων μελών”, θα μπορούσαν να ωφεληθούν από ένα ένα τέτοιο πιο ολοκληρωμένο και πιο ακριβές σύστημα αίσθησης, παρόμοιο με το ανθρώπινο δέρμα. Η ερευνήτρια στο Ινστιτούτο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης (Institute of Solid State Physics) στο TU Graz, η οποία έχει κερδίσει επιχορήγηση από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας, κατάφερε να αναπτύξει το τρία-σε-ένα υβριδικό υλικό, το “έξυπνο δέρμα” που προορίζεται για την νέα γενιά τεχνητού, ηλεκτρονικού δέρματος, χρησιμοποιώντας μια καινούργια διαδικασία. Το αποτέλεσμα αυτής της πρωτοποριακής έρευνας δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Advanced Materials Technologies.
Ευαίσθητο όσο τα δάχτυλά μας? Περισσότερο…
Για την ανάπτυξη του έξυπνου δέρματος ως μέρος του πρότζεκτ “Smart Core” της Coclite, η ερευνητική ομάδα εργάστηκε για περίπου 6 χρόνια. Το υβριδικό υλικό, με 2.000 ξεχωριστούς αισθητήρες ανά τετραγωνικό χιλιοστό, είναι πιο ευαίσθητο ακόμη και από ένα ανθρώπινο δάχτυλο. Κάθε αισθητήρας αποτελείται από έναν μοναδικό συνδυασμό υλικών: ένα “έξυπνο” πολυμερές σε μορφή υδρογέλης στο εσωτερικό και ένα κέλυφος οξειδίου του ψευδαργύρου που εμφανίζει πιεζοηλεκτρική συμπεριφορά. Η Coclite μας εξηγεί: “Η υδρογέλη είναι ικανή να απορροφά νερό και έτσι διαστέλλεται ανάλογα με τις αλλαγές στην υγρασία και τη θερμοκρασία. Διογκούμενη, ασκεί πίεση στο πιεζοηλεκτρικό οξείδιο του ψευδαργύρου, το οποίο ανταποκρίνεται -όπως σε κάθε είδους μηχανική καταπόνηση- παράγοντας ηλεκτρικά σήματα.” Το εκπληκτικό αποτέλεσμα είναι ένα υπέρλεπτο υλικό, το οποίο αντιδρά με εξαιρετικά υψηλή χωρική ανάλυση στην άσκηση δύναμης, την υγρασία και τη θερμοκρασία, ταυτόχρονα, και αποστέλλει τα αντίστοιχα ηλεκτρονικά σήματα. “Τα πρώτα δείγματα τεχνητού δέρματος έχουν πάχος έξι μικρομέτρων, ή 0,006 χιλιοστά, αλλά θα μπορούσε να είναι ακόμη πιο λεπτό”, λέει η Anna Maria Coclite. Συγκριτικά, η ανθρώπινη επιδερμίδα έχει πάχος 0,03 έως 2 χιλιοστά. Το ελάχιστο μέγεθος που μπορεί να αντιληφθεί το ανθρώπινο δέρμα είναι περίπου ένα τετραγωνικό χιλιοστό. Το έξυπνο δέρμα διαθέτει χίλιες φορές μικρότερη διακριτική ικανότητα και μπορεί να καταγράψει αντικείμενα που είναι πολύ μικρά για το ανθρώπινο δέρμα (όπως μικροοργανισμούς).
Επεξεργασία υλικού σε νανοκλίμακα
Η κάθε στιβάδα (layer) του υλικού είναι ιδιαίτερα λεπτή και ταυτόχρονα εξοπλισμένη με αισθητήρες που καλύπτουν ολόκληρη την επιφάνειά της. Αυτό κατέστη δυνατό με μία παγκόσμίως μοναδική διαδικασία για την οποία οι ερευνητές συνδύασαν τρεις γνωστές μεθόδους της Φυσικοχημείας για πρώτη φορά: μια εναπόθεση χημικών ατμών για το υλικό υδρογέλης, μια εναπόθεση ατομικού στρώματος για το οξείδιο του ψευδαργύρου και νανολιθογραφία για την μήτρα πολυμερούς. Την λιθογραφική προετοιμασία της μήτρας ανέλαβε η ερευνητική ομάδα «Hybrid electronics and structuring» με επικεφαλής την Barbara Stadlober. Η ομάδα είναι μέρος του “Joanneum Research’s Materials Institute” που εδρεύει στο Weiz.
Πολλά πεδία εφαρμογής, ανοίγονται πλέον, για το υβριδικό υλικό που μοιάζει με δέρμα. Στην υγειονομική περίθαλψη, για παράδειγμα, οι αισθητήρες του θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν την ύπαρξη μικροοργανισμών. Πιθανή, επίσης, θεωρείται η δημιουργία προσθετικών μελών, τα οποία θα μπορούν να πληροφορήσουν τον χρήστη τους σχετικά με τη θερμοκρασία ή την υγρασία και ρομπότ που θα μπορούν να αντιληφθούν το περιβάλλον τους με μεγαλύτερη ακρίβεια. Οδεύοντας προς τις πιθανές εφαρμογές του, το έξυπνο δέρμα διαθέτει ένα καθοριστικό πλεονέκτημα: οι νανοράβδοι των αισθητήρων -ο “έξυπνος πυρήνας” του υλικού- παράγονται μέσω διαδικασίας ατμών. Πρόκειται για μία ήδη καθιερωμένη διαδικασία, για παράδειγμα σε εργοστάσια παραγωγής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Έτσι, για την παραγωγή του έξυπνου δέρματος μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι υπάρχουσες γραμμές παραγωγής.
Παραπομπές:
Taher Abu Ali, Philipp Schäffner, Maria Belegratis, Gerburg Schider, Barbara Stadlober, Anna Maria Coclite. Smart Core‐Shell Nanostructures for Force, Humidity, and Temperature Multi‐Stimuli Responsiveness. Advanced Materials Technologies, 2022; 2200246 DOI: 10.1002/admt.202200246
Πηγή: https://www.sciencedaily.com/
