Электронная кожа станет основой носимых устройств будущего

Окружающая нас электроника довольно хрупкая и громоздкая, но в будущем это может измениться. Группа исследователей из Стэнфорда уже несколько лет разрабатывает полимеры с датчиками, которые можно было бы носить как вторую кожу, не опасаясь повредить.

Такая электронная кожа позволит создавать самые разные гаджеты — от простых устройств для мониторинга здоровья до чувствительных к прикосновению протезов.

Кожа — самый большой орган нашего тела и при этом один из сложнейших. Достаточно взглянуть на нее под микроскопом, и можно увидеть тысячи нервных окончаний, которые поддерживают связь мозга с внешним миром и позволяют чувствовать прикосновения, давление и боль. Но Бао Чжэнань видит в ней нечто иное.

Для инженера-химика со специализацией в производстве полимеров кожа — не только орган чувств, но и материал. Она отмечает гибкость, способность тянуться и восстанавливаться, а также биоразлагаемость. Бао работает в развивающейся области электронной кожи и поставила перед собой задачу воссоздать многие функции человеческой кожи для использования в протезировании и роботехнике.

Для тех, кто носит протезы, способность к осязанию существенно повысила бы качество жизни, позволив отличать мягкое от твердого и замечать острые или обжигающе горячие предметы прежде, чем получить какой-то ущерб.

В 2004 году, когда Бао поступила в Стэнфордский университет, несколько исследователей трудились над гибкими датчиками, которые можно было бы обернуть вокруг протеза и сымитировать ощущение прикосновений, и ее опыт с гибкими дисплеями был бы полезен в работе. К 2010 году Бао с коллегамии разработали гибкий датчик, настолько чувствительный, что он мог обнаружить прикосновение садящейся бабочки.

«Наша нынешняя электроника очень жесткая, хрупкая и громоздкая, — комментирует Бао. — Но если сделать ее похожей на кожу, то потенциально это может полностью изменить то, как люди взаимодействуют с электроникой».
Наша кожа, которая создает естественный барьер, защищающий нас от окружающей среды, может также служить интерфейсом для взаимодействия между людьми и устройствами.

Кроме робототехники и протезов, считает Бао, электронную кожу можно использовать и в области носимых гаджетов. Представьте устройство, которое надевается как вторая кожа и с помощью датчиков точно измеряет кровяное давление, температуру или уровни глюкозы и кислорода в реальном времени.

«Существует большой интерес к носимым устройствам, которые могут не только измерить количество шагов за день или частоту сердечных сокращений», — говорит Бао.

Разработка на базе исследования лаборатории Бао в Стэнфорде может быть изготовлена и клинически протестирована в ближайшие несколько лет. Стартап из Кремниевой долины PyrAmes, сооснователем которой стала Бао, разрабатывает мягкую ленту, которая оборачивается вокруг запястья или стопы и может применяться для отслеживания кровяного давления недоношенных детей в отделениях интенсивной терапии.

Решение сможет заменить иглы, которые обычно используются для этого и создают риски инфекции, повреждения тканей и нервов. Затем браслет подключается по беспроводной сети к планшету для мониторинга изменений артериального давления в режиме реального времени.

Подобные технологии по умолчанию должны быть растяжимыми и гибкими. Учитывая это, команда исследователей Бао использовала молекулярный подход к разработке органических полимеров. Полимер — это большая молекула, которая состоит из множества повторяющихся мономеров, соединенных между собой как цепь скрепок для бумаги.

Изменяя структуру этих мономеров, исследователи могут сделать материал растяжимым и придать ему форму, позволяющую разместиться на теле человека или даже внутри него.

Бао уже несколько лет работает над электроникой, «вдохновленной кожей». С 2018 года она возглавляет факультет химической инженерии Стэнфорда, а также основала и руководит Стэнфордской инициативой по носимой электронике (eWEAR), общеуниверситетской программой, которая объединяет ученых, работающих в области материалов, электроники, систем, данных и медицинских наук, и связывает их с промышленностью.

У самой Бао в США зарегистрировано более 100 патентов, в том числе на датчик обнаружения бабочек.

Вместе с коллегами из Стэнфорда они также разрабатывают полимеры для дисплеев, которые смогут растягиваться, складываться и даже сминаться. В марте 2022 года, спустя более 3 лет работы, они опубликовали в журнале Nature доказательство принципа работы светоизлучающего полимера, который светится как нить накаливания в электрической лампочке.

Исследователи продемонстрировали, что устройство можно носить на суставе пальца, деформировать и растягивать в два раза больше длины, не разрывая. Прототип показывает лишь статичное изображение с низким разрешением, но он может стать основой для носимой электроники, которая будет измерять и отображать жизненно важные показатели.

Есть много потенциальных применений для электронной кожи, говорит Бао. Но путь к ее коммерческому использованию будет долгим. Тем не менее, она бы хотела разработать электронику, которая принесет пользу медицинской диагностике и здравоохранению в долгосрочной перспективе — будь то в виде протезов, носимых устройств или даже имплантов.

Ее внимание также сосредоточено на небольших шагах и успехах в разработке отдельных строительных блоков: датчиков, схем и гибких, эластичных и биоразлагаемых материалов, из которых они состоят.

«Для того, чтобы отрасль могла развиваться и иметь долгосрочную траекторию, мы также должны показать, что мы можем оказать влияние в ближайшем будущем», — говорит Бао.

 

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК

Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов

hello@technovery.com