تصویر: سلول‌های سوختی ریز، عرق را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند که می‌تواند به حسگرها در پوست الکترونیکی توان دهد. یو و همکاران ، علمی. ربات 5 ، eaaz7946 (2020)

تحقیقات کوتاه زیر برگرفته از در مورد کارهای جالب دانشگاهی است.

ایده بزرگ

پوست بزرگترین عضو بدن انسان است. پوست اطلاعات بسیاری از جمله دما، فشار، لذت و درد را منتقل می‌کند. پوست الکترونیکی (e-skin) از خواص پوست بیولوژیکی تقلید می‌کند. پوستهای الکترونیکی که اخیراً توسعه یافته‌اند قادر به نظارت بی سیم بر سیگنالهای فیزیولوژیکی هستند. آنها می‌توانند نقش مهمی در نسل بعدی روباتیک و وسایل پزشکی بازی کنند.

آزمایشگاه من در Caltech علاقه‌مند به مطالعه زیست شناسی انسان و نظارت بر سلامت انسان با استفاده از دستگاه‌های پیشرفته بیو الکترونیکی است. پوست الکترونیکی که ما ایجاد کردیم، نه تنها ترکیبات شیمیایی و مولکولی عرق انسان را تجزیه و تحلیل می‌کند، بلکه کاملاً از مواد شیمیایی موجود در عرق تغذیه می‌شود.

(سیستم عامل‌های سنجش پوست الکترونیکی موجود (پوست الکترونیکی) برای نظارت بر پارامترهای فیزیکی با استفاده از توان باتری یا ارتباط با میدان نزدیک مجهز شده‌اند. برای استفاده از پوست الکترونیکی در نسل بعدی روباتیک و وسایل پزشکی، آنها باید به صورت بی سیم کار کرده و از خود نیرو بگیرند. با این حال، با وجود تلاش‌های اخیر برای برداشت انرژی از بدن انسان، پوست الکترونیکی خود توان با توانایی انجام بیوسنسینگ با ارتباطات بلوتوث به دلیل عدم وجود منبع انرژی مداوم و بهره وری انرژی محدود، دارای استفاده محدود بوده است. ما همچنین از پوست الکترونیکی خود به عنوان واسط انسان و ماشین برای کنترل حرکت بازوی روباتیک و پای مصنوعی استفاده کردیم. در اینجا، ما یک پوست الکترونیکی یکپارچه و انعطاف پذیر برای سنجش متابولیک چند برابری در محل را گزارش می‌کنیم. پوست الکترونیکی عاری از باتری حاوی سنسورهای چند حالته و سلولهای سوخت زیستی لاکتات بسیار کارآمد است که از یکپارچه سازی منحصر به فرد نانو مواد صفر تا سه بعدی برای دستیابی به شدت قدرت بالا و ثبات طولانی مدت استفاده می‌کند. چگالی توان رکورد شکن 3.5 میلی وات بر سانتیمتر مربع را برای سلول‌های سوخت زیستی در مایعات بدن انسان درمان نشده (عرق انسان) تحویل داد و عملکرد بسیار پایداری را در طی یک عمل مداوم 60 ساعته به نمایش گذاشت. این آنالیت متابولیک کلیدی (به عنوان مثال، اوره، NH4، گلوکز وpH) و دمای پوست در حین انجام فعالیتهای بدنی طولانی مدت، به طور انتخابی کنترل شده و به طور بی سیم داده ها را با استفاده از بلوتوث به رابط کاربر منتقل می‌کند. همچنین قادر به انقباض عضلات بوده و به عنوان رابط انسان و ماشین برای پیاده روی پروتز انسان عمل می‌کند.)

چرا مهم است

پوست‌های الکترونیکی موجود و دستگاه‌های پوشیدنی در درجه اول روی نظارت بر پارامترهای فیزیولوژیکی مانند ضربان قلب تمرکز دارند و نمی‌توانند اطلاعات بهداشتی را در سطح مولکولی ارزیابی کنند. علاوه بر این، آنها به طور معمول برای تغذیه خود به باتری نیاز دارند، و باتری‌ها را باید بارها شارژ کرد.

با وجود تلاش‌های اخیر برای برداشت انرژی از بدن انسان، هیچ گزارشی از پوست‌های الکترونیکی خود توان که قادر به انجام آزمایشات زیست سنجی باشند و اطلاعات را از طریق ارتباطات بی سیم بلوتوث استاندارد منتقل کنند، در دست نیست. این امر به فقدان راندمان انرژی منجر می‌شود. نیاز به یک دستگاه خود توان وجود دارد که بتواند به طور مداوم اطلاعات مولکولی و فیزیکی را جمع آوری کرده و اطلاعات را به صورت بی سیم به دستگاه های دیگر منتقل کند.

چگونه این کار را انجام می‌دهیم

رویکردی که ما برای برداشت انرژی از بدن انسان انجام می‌دهیم مبتنی بر سلولهای سوختی است. سلولهای سوخت انرژی شیمیایی را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. سلولهای سوخت زیستی که برای پوست الکترونیکی خود تولید کرده‌ایم، اسید لاکتیک موجود در عرق انسان را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. علاوه بر سلولهای سوخت زیستی، پوست الکترونیکی حاوی حسگرهای زیستی است که می‌تواند اطلاعات متابولیکی مانند گلوکز، اوره و سطح pH را، برای نظارت بر دیابت، ایسکمی و دیگر شرایط سلامتی، و همچنین اطلاعات بدنی مانند دمای پوست، تجزیه و تحلیل کند. پوست الکترونیکی، ساخته شده از مواد نرم است و به پوست شخص متصل است، و در آن عمل بیوسنسینگ به صورت بلادرنگ، صرفاً توسط عرق انجام می‌شود.

تصویر: سلولهای سوخت زیستی با توان عرق در این پوست الکترونیکی، انرژی کافی را برای حسگرهای بیولوژیکی تأمین می‌کنند و اطلاعات را به صورت بی سیم به دستگاه های دیگر منتقل می‌کنند. یو و همکاران ، علمی. ربات 5 ، eaaz7946 (2020)

سلولهای سوخت زیستی پوشیدنی که قبلاً ایجاد شده‌اند، قدرت زیادی تولید نمی‌کنند و بسیار پایدار نیستند. ما با استفاده از نانو مواد جدید برای دو الکترود سلول، توان تولیدی و پایداری سلولهای سوخت زیستی را تا حد زیادی بهبود بخشیدیم. کاتد سلول سوخت‌های زیستی ما از شبکه نانو لوله‌های کربنی تزئین شده با نانو ذرات حاوی پلاتین و کبالت تشکیل شده است. آند ماده‌ای نانو کامپوزیت است که حاوی آنزیمی است که اسید لاکتیک را تجزیه می‌کند.

سلولهای سوخت زیستی می‌توانند در عرق انسان چندین خروجی مداوم و پایدار به اندازه چند میلی وات بر سانتیمتر مربع ایجاد کنند. این کافی است تا بتواند توان لازم برای حسگرهای زیستی و همچنین ارتباطات بی سیم را تأمین کند. ما پوست الکترونیکی خود را با نظارت بر سطح گلوکز، pH ، یونهای آمونیوم و اوره در مطالعات با استفاده از افراد انسانی به نمایش در آورده‌ایم. ما همچنین از پوست الکترونیکی خود به عنوان واسط انسان و ماشین برای کنترل حرکت بازوی روباتیک و پای مصنوعی استفاده کردیم.

بعد از آن چه؟

ما در نظر داریم بیشتر توان تولیدی سلولهای سوخت بیولوژیکی را بهبود بخشیده و حسگرهای زیستی مختلفی را ادغام کنیم. توسعه پوست الکترونیکی کاملاً قدرتمند، درها را برای بسیاری از امکانات مراقبت‌های بهداشتی روباتیک و پوشیدنی باز می‌کند. سلولهای سوخت زیستی پوشیدنی که قبلاً ایجاد شده‌اند، قدرت زیادی تولید نمی‌کنند و بسیار پایدار نیستند. ما با استفاده از نانو مواد جدید برای دو الکترود سلول، توان تولیدی و پایداری سلولهای سوخت زیستی را تا حد زیادی بهبود بخشیدیم. از آرایه‌های حسگر پوشیدنی می‌توان برای نظارت بر سلامت، تشخیص زود هنگام بیماری و مداخله بالقوه تغذیه‌ای استفاده کرد. علاوه بر این، می‌توان از پوست الکترونیکی خود توان برای طراحی و بهینه سازی پروتزهای بعدی استفاده کرد.

منبع: وِی گائو - California Institute of Technology