“پوست الکترونیکی” نرم تکانه های عصبی مانندی ایجاد می کند که با مغز صحبت می کنند

گیرنده های مکانیکی در پوست انسان می توانند وزن ظریف یک پروانه را حس کنند، گرمای شعله نزدیک یا یک نوشیدنی خنک را احساس کنند، بفهمند که آیا دستی در مشت بلند شده است یا نشانه صلح، و نبض یک عزیز را با ملایمت بشمارد. دست زدن به. مهندسان مشتاق ایجاد پوست الکترونیکی مصنوعی تاکنون توانسته‌اند مواد نرم و انعطاف‌پذیری را بسازند که هر یک از این حواس فوق‌العاده را تقلید می‌کند، اما هرگز یک صفحه واحد با مواد پوست مانندی که بتواند مستقیماً با مغز صحبت کند – تا کنون ایجاد نکرده‌اند.

در حالی که تلاش‌های قبلی نیازمند الکترونیک سفت و سخت برای تبدیل سیگنال حس‌شده به پالس‌های الکتریکی بود که مغز می‌تواند بخواند، محققان دانشگاه استنفورد مدارهای مجتمع نرمی تولید کرده‌اند که فشار یا دما را به سیگنال‌های الکتریکی شبیه به تکانه‌های عصبی برای برقراری ارتباط با مغز تبدیل می‌کنند. محققان امیدوارند روزی این سیگنال‌ها به تراشه‌های ارتباطی بی‌سیم کاشته‌شده در عصب محیطی هدایت شوند تا به افراد قطع عضو اجازه دهند تا اندام مصنوعی را کنترل کنند. سایر کاربردهای بالقوه ممکن است شامل دستگاه‌های پزشکی کاشتنی یا پوشیدنی جدید باشد.

ژنان بائو گفت: “ما مدتی است که روی یک پوست الکترونیکی یکپارچه کار می‌کنیم. مشکل، یافتن مکانیسم‌هایی برای تقلید از توانایی‌های حسی چشمگیر لمس انسان نبود، بلکه با استفاده از موادی شبیه به پوست کنار هم قرار می‌گیرد.” پروفسور KK Lee در مهندسی شیمی و نویسنده ارشد این مطالعه که در مجله منتشر شده است علوم پایه.

بخش عمده ای از این چالش به پیشرفت مواد الکترونیکی پوست مانند منجر شد تا بتوان آنها را در مدارهای مجتمع با پیچیدگی کافی برای تولید قطارهای پالس عصبی و ولتاژ عملیاتی پایین به اندازه کافی برای استفاده ایمن بر روی بدن انسان ادغام کرد. ویچن وانگ، کاندیدای دکترا در آزمایشگاه بائو، که اولین نویسنده مقاله است. وانگ 3 سال است که روی این نمونه اولیه کار می کند.

لایه های تکنولوژی

هدف یک مدار مجتمع نرم بود که بتواند مکانیسم گیرنده های حسی را تقلید کند و در ولتاژ پایین به طور موثر کار کند. متأسفانه، اولین تلاش‌های وانگ بیش از 30 ولت یا بیشتر نیاز داشت و نتوانست عملکرد مدار کافی را درک کند. او گفت: “این پوسته الکترونیکی جدید تنها با ولتاژ 5 ولت کار می کند و می تواند محرک هایی مشابه پوست واقعی را تشخیص دهد.”

پوست مصنوعی برای اندام‌های مصنوعی در دوران جدید بسیار حیاتی خواهد بود که نه تنها حرکت و عملکردی مانند گرفتن را بازیابی می‌کند، بلکه بازخورد حسی (حس عمقی) را نیز ارائه می‌کند که به کاربر کمک می‌کند دستگاه را با دقت کنترل کند. نه تنها این، بلکه خود ماده پوست حسی باید بارها و بارها کشیده شود و بدون شکست برگردد، در حالی که هرگز ویژگی های الکتریکی عصبی خود را از دست نمی دهد.

این تیم یک ساختار دی الکتریک سه لایه اختراع کردند که به افزایش تحرک حامل های بار الکتریکی تا 30 برابر در مقایسه با دی الکتریک های تک لایه کمک کرد و به مدارها اجازه داد در ولتاژ پایین کار کنند. جالب اینجاست که یکی از لایه های سه لایه نیتریل است، همان لاستیکی که در دستکش های جراحی استفاده می شود. اکثر پوسته های الکترونیکی از لایه های زیادی از مواد پوست مانند ساخته شده اند. در هر لایه شبکه‌هایی از نانوساختارهای آلی وجود دارد که سیگنال‌های الکتریکی را حتی در صورت کشیده شدن انتقال می‌دهند. این شبکه ها را می توان برای حس فشار، دما، کرنش و مواد شیمیایی مهندسی کرد.

هر ورودی حسی مدار مجتمع مخصوص به خود را دارد. سپس تمام لایه‌های حسی مختلف باید با هم در یک ماده یکپارچه قرار داده شوند که لایه‌پوش، پاره و یا عملکرد الکتریکی را از دست ندهد.

هر لایه الکترونیکی فقط چند ده تا صد نانومتر ضخامت دارد و مواد نهایی نیم دوجین یا بیشتر لایه کمتر از یک میکرون است.

بائو گفت: “اما در واقع خیلی نازک است که بتوان به راحتی آن را مدیریت کرد، بنابراین ما از یک بستر برای پشتیبانی از آن استفاده می کنیم که ضخامت پوست الکترونیکی ما را به حدود 25 تا 50 میکرون می رساند – تقریباً ضخامت یک ورق کاغذ.” این ماده در محدوده ضخامتی مشابه لایه بیرونی پوست انسان قرار دارد.

پیشرفت های نسل بعدی

این سیستم اولین سیستمی است که حسگر و تمام ویژگی‌های الکتریکی و مکانیکی مورد نظر پوست انسان را به شکلی نرم و بادوام ترکیب می‌کند که می‌تواند در نسل بعدی پوست‌های مصنوعی و رابط‌های نوآورانه انسان و ماشین برای ایجاد حس لامسه مانند انسان استفاده شود. .

نمونه اولیه آنها کامل شد، Bao، Wang و تیم اکنون در حال افزایش پیچیدگی و مقیاس پذیری فناوری خود، افزودن قابلیت های بی سیم، و راه های ارتباط با مغز و قسمت های پیرامونی بدن هستند.