Odporna na pot „Smart Skin” przyjmuje biopierwiastki, na które można liczyć nawet podczas gorących treningów i posiłków

Instytut Technologii w Massachusetts

Inżynierowie i naukowcy z Massachusetts Institute of Technology w Korei Południowej opracowali antypotową „elektroniczną skórę” – lepką, biodegradowalną łatkę z czujnikiem, który monitoruje stan zdrowia osoby bez łuszczenia się i łuszczenia, nawet gdy użytkownik się poci.

Plaster ozdobiony jest sztucznymi kanalikami potowymi, podobnymi do porów w ludzkiej skórze, które naukowcy przewiercili przez niezwykle cienkie warstwy materiału. Pory przebijają łatę wzorem przypominającym kirigami, podobnym do japońskiej sztuki wycinania papieru. Konstrukcja zapewnia przenikanie potu przez plaster, zapobiegając podrażnieniom skóry i uszkodzeniom wbudowanych czujników.

Konstrukcja kirigami pomaga również plastrze dopasowywać się do ludzkiej skóry, ponieważ rozciąga się i zgina. Ta elastyczność, w połączeniu z odpornością materiału na pot, umożliwia monitorowanie zdrowia osoby przez długi czas, co nie było możliwe w przypadku wcześniejszych projektów „elektronicznej skóry”. Odkrycia, opublikowane dzisiaj w Science Advances, są krokiem w kierunku długotrwałej, inteligentnej skóry, która może śledzić codzienne czynności życiowe lub rozwój raka skóry i innych schorzeń.

„Dzięki tej oddychającej łacie na skórze nie będzie nagromadzenia potu, dezinformacji ani separacji skóry” – mówi Jeehwan Kim, adiunkt inżynierii mechanicznej w MIT. „Możemy dostarczyć czujniki do noszenia, które mogą prowadzić długoterminowe, ciągłe monitorowanie”.

Współautorami Kima są główny autor i badacz podoktorancki w MIT Hanwool Yeon, badacze z Wydziałów Inżynierii Mechanicznej, Inżynierii Materiałowej i Inżynierii Materiałowej oraz Laboratorium Badań Elektronicznych, a także współpracownicy z Amorepacific Cosmetics Group i innych instytucji w Korei Południowej.

Spocony Hitch

Grupa Kim specjalizuje się w produkcji elastycznych folii półprzewodnikowych. Naukowcy opracowali technikę zwaną zdalną epitaksją, która polega na hodowaniu niezwykle cienkich, wysokiej jakości błon półprzewodnikowych na waflach w wysokiej temperaturze i selektywnym złuszczaniu błon. łączcie się i zbierajcie! Aby utworzyć czujniki, które są znacznie cieńsze i bardziej elastyczne niż tradycyjne konstrukcje oparte na chipach.

Ostatnio ich praca zwróciła uwagę firmy kosmetycznej Amorepacific, która była zainteresowana opracowaniem cienkiej, nadającej się do noszenia taśmy do ciągłego monitorowania zmian w skórze. Firma połączyła siły z Kim, aby zaprojektować elastyczne, półprzewodzące folie kolekcjonerskie w coś, co można nosić przez dłuższy czas.

Ale zespół wkrótce natknął się na barierę, której nie wyeliminowały inne projekty e-skin: pot. Większość projektów eksperymentalnych obejmuje czujniki z lepkich, hermetycznych materiałów na bazie polimerów. Inne projekty tkanych nanowłókien mogą przepuszczać powietrze, ale nie pot. Jeśli e-skórka miała działać na dłuższą metę, Kim zdała sobie sprawę, że musi być przepuszczalna nie tylko dla pary, ale także dla potu.

„Pomiędzy e-skórką a skórą może gromadzić się pot, co może spowodować uszkodzenie skóry i nieprawidłowe działanie czujnika” – mówi Kim. „Więc staraliśmy się rozwiązać te dwa problemy jednocześnie, pozwalając potowi przenikać przez e-skórkę”.

robienie cięcia

W poszukiwaniu inspiracji projektowej naukowcy przyjrzeli się porom ludzkiego potu. Odkryli, że średnia średnica porów mierzyła około 100 mikronów, a pory były losowo rozmieszczone w skórze. Przeprowadzili wstępne symulacje, aby zobaczyć, jak mogą nakładać i układać sztuczne pory w sposób, który nie zatyka rzeczywistych porów w ludzkiej skórze.

„Nasz prosty pomysł polega na tym, że jeśli zapewnimy syntetyczne kanały potowe w e-skórce i stworzymy wysoce przepuszczalne ścieżki potowe, możemy osiągnąć długoterminowy potencjał monitorowania” – wyjaśnia Yun.

Zaczęli od okresowego wzoru dziur, z których każda miała wielkość rzeczywistego poru potowego. Odkryli, że gdyby pory były oddalone od siebie, w odległości mniejszej niż średnia średnica porów, wzór jako całość mógłby skutecznie przenikać. Odkryli jednak również, że jeśli ten prosty wzór dziurek zostanie przewiercony przez cienką folię, folia nie będzie rozciągliwa i może łatwo pęknąć po nałożeniu na skórę.

Naukowcy odkryli, że mogą zwiększyć siłę i elastyczność wzoru otworów, wycinając cienkie kanały między każdym otworem, tworząc wzór powtarzających się hantli zamiast prostych otworów, które rozluźniają stres, zamiast skupiać go w jednym miejscu. Ten wzór, wytrawiony w materiale, tworzy elastyczny efekt przypominający kirigami.

„Jeśli rzucisz kawałek papieru na piłkę, to nie pasuje” – mówi Kim. „Ale jeśli wytniesz wzór kirigami na papierze, może pasować. Pomyśleliśmy więc, dlaczego nie wyrównać otworów kawałkami, aby uzyskać dopasowanie przypominające kirigami na skórze?

Zgodnie z tym tokiem rozumowania zespół wykonał e-skórkę z wielu funkcjonalnych warstw, z których każda jest wyrzeźbiona z porami w kształcie hantli. Warstwy skóry składają się z szeregu ultracienkich czujników półprzewodnikowych, które monitorują temperaturę, nawilżenie, ekspozycję na promieniowanie UV i naprężenia mechaniczne. Ten zespół czujnika jest umieszczony pomiędzy dwiema cienkimi membranami ochronnymi, wszystkie pokryte klejem polimerowym.

„Elektroniczna skóra jest jak ludzka skóra – jest bardzo elastyczna i miękka, a pot może ją przenikać” – mówi Yoon.

Naukowcy przetestowali e-skórkę, przyczepiając ją do nadgarstka i czoła ochotnika. Wolontariusz nosił taśmę bez przerwy przez tydzień. Przez cały ten czas nowa elektroniczna skóra rzetelnie mierzyła swoją temperaturę, poziom nawodnienia, ekspozycję na promieniowanie UV i puls, nawet podczas czynności powodujących pocenie się, takich jak bieganie na bieżni przez 30 minut i spożywanie gorącego posiłku.

Projekt zespołu jest również kompatybilny ze skórą, trzymając się czoła ochotnika, który wielokrotnie proszono go o zmarszczenie brwi podczas obfitego pocenia się, w porównaniu z innymi projektami e-skórek, które nie są przepuszczalne i można je łatwo oddzielić od skóry.

Kim planuje poprawić wytrzymałość i trwałość projektu. Chociaż taśma jest przepuszczalna dla potu i bardzo podatna, dzięki wytłoczeniom kirigami, ma ten sam wzór w połączeniu z cienkim kształtem taśmy, dzięki czemu jest bardzo krucha na tarcie. W rezultacie ochotnicy musieli nosić taśmę owiniętą taśmą, aby chronić ją podczas czynności, takich jak branie prysznica.

„Ponieważ e-skórka jest tak miękka, że ​​może zostać fizycznie uszkodzona” – mówi Yoon. „Dążymy do poprawy elastyczności e-skóry”.

Badania te były wspierane przez Amorepacific.