Forskere skaber vandafvisende elektronisk hud med selvhelbredende evner

Et team af forskere fra National University of Singapore (NUS) har hentet inspiration fra hvirvelløse undervandsdyr som vandmænd for at skabe en elektronisk hud med lignende funktionalitet.

Ligesom en vandmand, den elektroniske hud er gennemsigtig, strækbar, berøringsfølsomme, og selvhelbredende i vandmiljøer, og kunne bruges i alt fra vandtætte touchskærme til akvatiske bløde robotter.

Adjunkt Benjamin Tee og hans team fra Institut for Materialevidenskab og Teknik på NUS Det Tekniske Fakultet udviklede materialet, sammen med samarbejdspartnere fra Tsinghua University og University of California Riverside.

Holdet på otte forskere brugte lidt over et år på at udvikle materialet, og dens opfindelse blev først rapporteret i journalen Naturelektronik den 15. februar 2019.

Gennemsigtige og vandtætte selvhelbredende materialer til vidtgående anvendelser

Asst Prof Tee har arbejdet med elektroniske skins i mange år og var en del af det team, der udviklede de første selvhelbredende elektroniske hudsensorer nogensinde i 2012.

Hans erfaring inden for dette forskningsområde førte ham til at identificere vigtige forhindringer, som selvhelbredende elektroniske skins endnu ikke har overvundet. "En af udfordringerne med mange selvhelbredende materialer i dag er, at de ikke er gennemsigtige, og at de ikke fungerer effektivt, når de er våde, " sagde han. "Disse ulemper gør dem mindre nyttige til elektroniske applikationer såsom berøringsskærme, som ofte skal bruges i våde vejrforhold."

Han fortsatte, "Med denne idé i tankerne, vi begyndte at se på vandmænd – de er gennemsigtige, og kan fornemme det våde miljø. Så, vi spekulerede på, hvordan vi kunne lave et kunstigt materiale, der kunne efterligne vandmænds vandafvisende natur og alligevel også være berøringsfølsomt."

De lykkedes med denne bestræbelse ved at skabe en gel bestående af en fluorcarbonbaseret polymer med en fluorrig ionisk væske. Når det kombineres, polymernetværket interagerer med den ioniske væske via meget reversible ion-dipol-interaktioner, som gør det muligt at helbrede sig selv.

Uddybende fordelene ved denne konfiguration, Asst Prof Tee forklarede, "De fleste ledende polymergeler såsom hydrogeler vil kvælde, når de er nedsænket i vand eller tørre ud over tid i luft. Det, der gør vores materiale anderledes, er, at det kan bevare sin form i både våde og tørre omgivelser. Det fungerer godt i havvand og endda i sure eller alkaliske miljøer."

Den næste generation af bløde robotter

Den elektroniske hud skabes ved at printe det nye materiale ind i elektroniske kredsløb. Som et blødt og strækbart materiale, dets elektriske egenskaber ændres ved berøring, presset eller anstrengt. "Vi kan så måle denne ændring, og konvertere det til læsbare elektriske signaler for at skabe en bred vifte af forskellige sensorapplikationer, ", tilføjede Asst Prof Tee.

"3D-printbarheden af ​​vores materiale viser også potentiale i at skabe fuldt gennemsigtige printplader, der kunne bruges i robotapplikationer. Vi håber, at dette materiale kan bruges til at udvikle forskellige applikationer i nye typer bløde robotter, " tilføjede Asst Prof Tee, som også er fra NUS' Institut for Elektro- og Computerteknik, og Biomedicinsk Institut for Global Sundhedsforskning og -teknologi (BIGHEART) ved NUS.

Bløde robotter, og blød elektronik generelt, sigter mod at efterligne biologiske væv for at gøre dem mere mekanisk kompatible for menneske-maskine interaktioner. Ud over konventionelle bløde robotapplikationer, dette nye materiales vandtætte teknologi muliggør design af amfibiske robotter og vandafvisende elektronik.

En yderligere fordel ved denne selvhelbredende elektroniske hud er det potentiale, den har til at reducere spild. Asst Prof Tee forklarede, "Millioner af tons elektronisk affald fra ødelagte mobiltelefoner, tabletter, osv. genereres globalt hvert år. Vi håber at skabe en fremtid, hvor elektroniske enheder fremstillet af intelligente materialer kan udføre selvreparerende funktioner for at reducere mængden af ​​elektronisk affald i verden."

Asst Prof Tee og hans team vil fortsætte deres forskning og håber at udforske yderligere muligheder for dette materiale i fremtiden. Han sagde, "I øjeblikket, vi gør brug af materialets omfattende egenskaber til at lave nye optoelektroniske enheder, som kunne bruges i mange nye menneske-maskine kommunikationsgrænseflader."