Innowacyjna skóra jonowa

Sztuczna skóra, która zachowuje się jak prawdziwa. Oto nowa skóra jonowa

Naukowcy od dawna pracują nad stworzeniem inteligentnej skóry, która naśladowałaby funkcje tej naturalnej. Przełomem może być tzw. skóra jonowa, wykonana z biokompatybilnego hydrożelu, która wykorzystuje jony do przenoszenia ładunku elektrycznego. Może się ona stać podstawą ramion robotów lub protez przyszłości.

Hydrożele mogą generować napięcie po dotknięciu, ale do tej pory naukowcy nie wiedzieli dokładnie, jak to się dzieje. Przełom nastąpił dzięki pracom naukowców z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej (UBC), które zostały opublikowane w Science.

Zasada działania czujników hydrożelowych polega na tym, że wytwarzają one napięcie i prąd w reakcji na bodźce, takie jak nacisk lub dotyk – co nazywamy efektem piezoelektrycznym. Ale nie wiedzieliśmy dokładnie, jak te napięcia są wytwarzane.

Yuta Dobashi z UBC

Naukowcy opracowali hydrożelowe czujniki zawierające sole z dodatnimi i ujemnymi jonami o różnych rozmiarach. Zastosowali pole magnetyczne, aby dokładnie śledzić ich ruch pod wpływem wywieranego nacisku.

Kiedy na żel wywierany jest nacisk, ciśnienie to rozprzestrzenia jony w cieczy z różnymi prędkościami, tworząc sygnał elektryczny. Jony dodatnie, które są zwykle mniejsze, poruszają się szybciej niż większe jony ujemne. Powoduje to nierównomierne rozłożenie jonów, co z kolei wytwarza pole elektryczne, które jest podstawą działania czujnika piezoelektrycznego.

Yuta Dobashi
Yuta Dobashi i opracowana przez jego zespół skóra jonowa

Najnowsze badania potwierdziły, że hydrożele działają w sposób podobny do tego, jak człowiek odbierający ciśnienie, czyli poprzez przemieszczanie jonów w odpowiedzi na nacisk. Ta obserwacja może posłużyć do stworzenia jeszcze lepszych skór jonowych.

Oczywistym zastosowaniem jest tworzenie czujników, które oddziałują bezpośrednio z komórkami i układem nerwowym, ponieważ napięcia, prądy i czasy reakcji są podobne do tych, które występują w błonach komórkowych. Kiedy podłączymy nasz czujnik do nerwu, wytwarza on w nim sygnał. Nerw z kolei aktywuje skurcz mięśnia. Można sobie wyobrazić protezę ramienia pokrytą skórą jonową. Wyczuwa ona przedmiot poprzez dotyk lub nacisk, przekazuje tę informację przez nerwy do mózgu, a mózg aktywuje silniki potrzebne do podniesienia lub przytrzymania przedmiotu. Wraz z dalszym rozwojem skóry sensorycznej i interfejsów z nerwami, taki bioniczny interfejs jest możliwy.

Dr John Madden z UBC

Hydrożelowa skóra jonowa może znaleźć zastosowanie także w ubieralnych czujnikach, które będą monitorować parametry życiowe pacjenta. Naukowcy zwiastują nawet nadejście ery „jonotroniki”. Rynek inteligentnych skór osiągnął wartość 4,5 mld $ w 2019 r. i nadal rośnie.