En blød, træthedsfri og selvhelbredende kunstig ionisk hud

I de senere år har robotikere og materialeforskere verden over forsøgt at skabe kunstige systemer, der ligner menneskelige kropsdele og gengiver deres funktioner. Disse omfatter kunstigt skind, beskyttende lag, der også kan forbedre robotters sansningsevne.

Forskere ved Donghua University i Kina og Jülich Center for Neutron Science (JCNS) i Tyskland har for nylig udviklet en ny og meget lovende kunstig ionisk hud baseret på en selvhelbredende elastisk nanomesh, en sammenvævet struktur, der ligner menneskelig hud. Denne kunstige hud, introduceret i et papir offentliggjort i Nature Communications , er blød, træthedsfri og selvhelbredende.

"Som vi ved, er huden det største organ i den menneskelige krop, som både fungerer som et beskyttende lag og sensorisk grænseflade for at holde vores krop sund og sansende," fortalte Shengtong Sun, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til TechXplore . "Med den hurtige udvikling af kunstig intelligens og blød robotik forsøger forskere i øjeblikket at belægge humanoide robotter med en 'kunstig hud', der replikerer alle de mekaniske og sensoriske egenskaber af menneskelig hud, så de også kan opfatte det evigt skiftende ydre miljø som os. ."

Da den menneskelige hud er et meget komplekst og sofistikeret system, kan det være ekstremt udfordrende at efterligne alle dens funktioner. For eksempel kan den menneskelige hud fornemme en række miljømæssige ændringer, herunder tryk, deformation af dens overflade og temperaturvariationer, blot ved at opfange ion-baserede elektroniske signaler.

"Den menneskelige hud føles blød, men den bliver meget fast, når den strækkes," sagde Sun. "Huden kan også naturligt hele sår på få dage ved fuldt ud at reparere dens struktur og funktioner. Endnu vigtigere er det, at over omkring 1 million cyklusser af deformationer om året sammen med kropsbevægelser vil hudens egenskaber ikke nedbrydes, hvilket tyder på meget gode anti-træthedsegenskaber ."

Selvom materialeforskere for nylig har udtænkt adskillige kunstige skind, også kaldet elektroniske eller ioniske skind, kan de fleste af disse systemer kun reproducere en del af hudens naturlige egenskaber. Sun og hans kolleger har i flere år forsøgt at designe mere hudlignende og realistiske materialer.

"Mens vi udførte vores undersøgelser, bemærkede vi, at huden kombinerer flere spændende egenskaber af en hierarkisk nanofibrøs struktur, som er defineret af et stift kollagenfibrill stillads indlejret i den bløde sammenvævede elastinmatrix," sagde Sun. "Disse to faser heler ikke kun ved hjælp af dermale fibroblaster på sår, men giver også meget høj brudsejhed til menneskelig hud ved at fastholde skader på de hårde kollagen nanofibriller."

Med inspiration fra hudens naturlige struktur satte forskerne sig for at designe en ny kunstig hud baseret på en selvhelbredende nanomesh og en ionisk matrix, som kan replikere funktionerne af henholdsvis kollagen og elastin. Dette resulterede i et hudlignende materiale, der er blødt, men bliver fast, når det strækkes, en egenskab kendt som "strain stivning". Derudover kan deres kunstige hud selvstændigt helbrede sig selv efter at være blevet beskadiget, er modstandsdygtig over for træthed og reagerer hurtigt på formdeformationer, hvilket er særligt ønskeligt til sanseapplikationer.

"Inspireret af hudens reparerbare nanofibrøse struktur skabte vi en kunstig ionisk hud ved at indlejre et selvhelbredende elastisk nanomesh-stillads i en anden selvhelbredende blød ionisk matrix," sagde Sun. "Nanomeshen blev fremstillet ved elektrospinning af vores syntetiske polyurethan, som kan selvhelbredende ved disulfidbindingsudveksling ved stuetemperatur. Den ioniske matrix blev fremstillet ved at fordampe den vandige opløsning af poly(acrylamid-co-acrylsyre), hyaluronsyre og CaCl₂ , som kan hele ved hjælp af fugt. På grund af de to modermaterialers helbredelsesevne kan den hybride ioniske hud også hele skader inden for en kort periode."

Den kunstige hud skabt af Sun og hans kolleger har en unik elastisk og nanofibrøs struktur, der gør den meget modstandsdygtig over for træthed. Mere specifikt kan dens indlejrede polyurethan nanofibre dække store kraftoverførselslængder og dermed sløve revner og forhindre dem i at forplante sig yderligere.

I indledende evalueringer opnåede det kunstige hudsystem meget lovende resultater. Holdet fandt ud af, at selv med et forskåret hak på det, forblev hybrid-ionisk intakt i over 10.000 strækcyklusser. Den beregnede træthedstærskel for hybrid ionisk hud er ~2.950 J m ^-2 , næsten to gange højere end menneskelig muskel (1.000 J m ^-2 ). ).

"Blødhed og strækbarhed er de to vigtigste mekaniske egenskaber for hudlignende følematerialer," sagde Sun. "Men konventionelle materialedesigns til blødhed og strækbarhed fører ofte til den lave robusthed, som er uvillig over for levetiden af ​​ioniske skind. Vi tacklede dette problem ved at producere en hybrid ionisk hud, som efterligner den reparerelige nanofibrøse struktur af menneskelig hud."

Det hudlignende system skabt af dette team af forskere er blandt de første kunstige skind, der ikke kun er blødt og strækbart, men også pålideligt selvhelbredende og træthedsbestandigt. I fremtiden vil det design, Sun og hans kolleger har foreslået, kunne bruges til at skabe andre robuste og ionledende strukturer baseret på andre materialekombinationer.

Derudover kunne deres kunstige hudsystem hjælpe med udviklingen af ​​humanoide robotter, der er mere træthedsbestandige, bedre ydende og ikke så let beskadiges over tid. Selvom holdets ioniske hud har opnået bemærkelsesværdige resultater indtil videre, har den stadig nogle bemærkelsesværdige begrænsninger, som Sun og hans kolleger i sidste ende håber at overvinde.

"Fordi vi brugte hygroskopisk hydrogel som den ioniske matrix, er miljøstabiliteten relativt dårlig, især ved fugtskiftende forhold," tilføjede Sun. "I meget tørre miljøforhold vil den ioniske matrix blive hård ved at tabe vand, og hudens evne til selvhelbredelse vil også være svær at realisere. For at overvinde denne grænse er vi nu motiverede til at producere endnu mere robuste ioniske skind, der kan pålideligt arbejde under barske forhold, såsom lave og høje temperaturer, under vand, vakuum eller i nærværelse af ætsende stoffer. Dette vil være meget nyttigt for bløde robotter, der forventes at operere i endnu mere komplicerede og varierende miljøer end dem, der er beboet af mennesker ." + Udforsk yderligere

Kunstig hud, der kan ødelægges, kan hjælpe proteser, robotter med at mærke skader

© 2022 Science X Network