В стремлении создать умную кожу, которая имитирует сенсорные возможности натуральной кожи, ионизированная кожа продемонстрировала значительные преимущества. Они сделаны из гибких, биосовместимых гидрогелей, которые используют ионы для переноса электрического заряда. В отличие от смарт-скинов из пластика и металлов, гидрогели обладают мягкостью натуральной кожи. Это обеспечивает более естественное ощущение протезной руки или руки робота, на которой они установлены, и делает их удобными для ношения.

Эти гидрогели могут генерировать напряжение при прикосновении, но ученые не понимали, как это происходит, пока группа исследователей из Университета Британской Колумбии не разработала уникальный эксперимент, опубликованный сегодня в журнале Science.

«Гидрогелевые датчики работают следующим образом: они производят напряжения и токи в ответ на раздражители, такие как давление или прикосновение, — то, что мы называем пьезоионным эффектом. Но мы не знали точно, как создаются эти напряжения», — сказал ведущий автор исследования Юта. Добаши, который начал работу в рамках своей магистерской программы по биомедицинской инженерии в UBC.

Работая под руководством исследователя Университета Британской Колумбии доктора Джона Мэддена, Добаши разработал гидрогелевые сенсоры, содержащие соли с положительными и отрицательными ионами разного размера. Он и его сотрудники из физического и химического отделов Университета Британской Колумбии применили магнитные поля, чтобы точно отслеживать движение ионов при воздействии давления на датчик.

«Когда на гель оказывается давление, это давление распределяет ионы в жидкости с разной скоростью, создавая электрический сигнал . Положительные ионы, которые имеют тенденцию быть меньшего размера, движутся быстрее, чем более крупные отрицательные ионы. Это приводит к неравномерному распределению ионов. распределение, создающее электрическое поле, благодаря которому работает пьезоионный датчик».

Исследователи говорят, что это новое знание подтверждает, что гидрогели работают так же, как люди определяют давление, что также происходит за счет движения ионов в ответ на давление, что вдохновляет на новые потенциальные применения ионной кожи.

«Очевидным применением является создание датчиков, которые взаимодействуют непосредственно с клетками и нервной системой , поскольку напряжения, токи и время отклика такие же, как и на клеточных мембранах», — говорит доктор Мэдден, профессор электротехники и вычислительной техники на факультете прикладных наук Университета Британской Колумбии. . «Когда мы подключаем наш датчик к нерву, он производит сигнал в нерве. Нерв, в свою очередь, активирует сокращение мышц».

«Вы можете представить себе протез руки, покрытый ионизированной кожей. Кожа ощущает объект через прикосновение или давление, передает эту информацию через нервы в мозг, а мозг затем активирует моторы, необходимые для подъема или удержания объекта. развитие сенсорной кожи и интерфейсов с нервами, этот бионический интерфейс мыслим».

Еще одно применение — датчик из мягкого гидрогеля , надеваемый на кожу, который может отслеживать жизненные показатели пациента, будучи совершенно ненавязчивым и генерируя собственную энергию.

Добаши, который в настоящее время завершает работу над докторской диссертацией. работает в Университете Торонто, хочет продолжить работу над ионными технологиями после окончания учебы.

«Мы можем представить себе будущее, в котором желеобразная «ионтроника» будет использоваться для имплантации тела. Можно имплантировать искусственные суставы, не опасаясь отторжения внутри человеческого тела. Например, пьезоионный гель-имплантат может высвобождать лекарства в зависимости от того, какое давление он ощущает».

Доктор Мэдден добавил, что рынок смарт-скинов оценивается в 4,5 миллиарда долларов в 2019 году и продолжает расти. «Умные скины могут быть интегрированы в одежду или размещены непосредственно на коже, а ионизированные скины — одна из технологий, которая может способствовать этому росту».

Исследование включает в себя вклад доктора химических наук UBC. выпускники Яэль Петель и Карл Михал, профессор физики UBC, которые использовали взаимодействие между сильными магнитными полями и ядерными спинами ионов для отслеживания движения ионов внутри гидрогелей. Седрик Плесс, Джао Нгуен и Фредерик Видаль из парижского университета CY Cergy во Франции помогли разработать новую теорию о том, как в гидрогелях генерируются заряд и напряжение.