Исследователи разработали метод создания адаптивных и экологически чистых датчиков, которые можно напрямую и незаметно печатать на самых разных биологических поверхностях, будь то палец или лепесток цветка.
Метод, разработанный исследователями из Кембриджского университета, основан на паутине, которая может прилегать к различным поверхностям и прилипать к ним. Эти «паучьи шелка» также включают в себя биоэлектронику, так что к «паутине» можно добавить различные сенсорные возможности.
Волокна, которые по меньшей мере в 50 раз меньше человеческого волоса, настолько легкие, что исследователи напечатали их прямо на пушистой семенной головке одуванчика, не разрушая ее структуру. При печати на коже человека волоконные датчики прилегают к коже и обнажают потовые поры, поэтому пользователь не замечает их присутствия. Испытания волокон, напечатанных на пальце человека, позволяют предположить, что их можно использовать в качестве непрерывных мониторов здоровья.
Этот малоотходный и низкоэмиссионный метод увеличения живых структур может быть использован в самых разных областях: от здравоохранения и виртуальной реальности до электронного текстиля и мониторинга окружающей среды. О результатах сообщается в журнале Nature Electronics.
Хотя человеческая кожа чрезвычайно чувствительна, дополнение ее электронными датчиками может фундаментально изменить то, как мы взаимодействуем с окружающим миром. Например, датчики, напечатанные непосредственно на коже, могут использоваться для непрерывного мониторинга здоровья, для понимания ощущений кожи или могут улучшить ощущение «реальности» в играх или приложениях виртуальной реальности.
Хотя носимые технологии со встроенными датчиками, такие как умные часы, широко доступны, эти устройства могут быть неудобными, навязчивыми и подавлять внутренние ощущения кожи.
«Если вы хотите точно обнаружить что-либо на биологической поверхности, например, на коже или листе, интерфейс между устройством и поверхностью имеет жизненно важное значение», — сказал профессор Ян Ян Шери Хуанг из инженерного факультета Кембриджа, который руководил исследованием. «Мы также хотим, чтобы биоэлектроника была совершенно незаметной для пользователя, чтобы она никоим образом не мешала тому, как пользователь взаимодействует с миром, и мы хотим, чтобы она была экологически безопасной и с низким уровнем отходов».
Существует множество способов изготовления носимых датчиков, но все они имеют недостатки. Гибкая электроника, например, обычно печатается на пластиковых пленках, которые не пропускают газ и влагу, поэтому это все равно, что обернуть кожу пищевой пленкой. Другие исследователи недавно разработали гибкую газопроницаемую электронику, например, искусственную кожу, но она по-прежнему мешает нормальным ощущениям и основана на энергоемких и трудоемких технологиях производства.
3D-печать — еще один потенциальный путь развития биоэлектроники, поскольку он менее расточителен, чем другие методы производства, но приводит к созданию более толстых устройств, которые могут мешать нормальному поведению. Вращение электронных волокон приводит к созданию устройств, незаметных для пользователя, но не обладающих высокой степенью чувствительности или сложности, и их трудно перенести на рассматриваемый объект.
Теперь команда под руководством Кембриджа разработала новый способ создания высокопроизводительной биоэлектроники, которую можно адаптировать к широкому спектру биологических поверхностей, от кончика пальца до пушистой головки одуванчика, путем печати их непосредственно на этой поверхности. Их техника частично вдохновлена пауками, которые создают сложные и прочные паутины, адаптированные к окружающей среде, используя минимальное количество материала.
Исследователи создали свой биоэлектронный «паучий шелк» из PEDOT:PSS (биосовместимого проводящего полимера), гиалуроновой кислоты и полиэтиленоксида. Высококачественные волокна были изготовлены из раствора на водной основе при комнатной температуре, что позволило исследователям контролировать «прядимость» волокон. Затем исследователи разработали метод орбитального прядения, позволяющий волокнам трансформироваться в живые поверхности, вплоть до микроструктур, таких как отпечатки пальцев.
Испытания биоэлектронных волокон на поверхностях, включая человеческие пальцы и головки семян одуванчика, показали, что они обеспечивают высококачественную работу сенсора, оставаясь при этом незаметными для хозяина.
«Наш подход к вращению позволяет биоэлектронным волокнам повторять анатомию различных форм, как на микро-, так и на макроуровне, без необходимости какого-либо распознавания изображений», — сказал Энди Ванг, первый автор статьи. «Это открывает совершенно другой взгляд на то, как можно создать экологически чистую электронику и датчики. Это гораздо более простой способ производить датчики большой площади».
Большинство датчиков высокого разрешения изготавливаются в промышленных чистых помещениях и требуют использования токсичных химикатов в многоэтапном и энергоемком процессе изготовления. Датчики, разработанные в Кембридже, могут быть изготовлены где угодно и потребляют лишь небольшую часть энергии, которую требуют обычные датчики.
Биоэлектронные волокна, которые подлежат ремонту, можно просто смыть, когда срок их полезного использования истекает, и при этом образуется менее одного миллиграмма отходов: для сравнения, при обычной разовой загрузке белья образуется от 600 до 1500 миллиграммов мусора. отходы волокна.
«Используя нашу простую технологию изготовления, мы можем размещать датчики практически где угодно и ремонтировать их там, где и когда им это нужно, без необходимости использования большой печатной машины или централизованного производственного предприятия», — сказал Хуанг. «Эти датчики могут быть изготовлены по требованию, прямо там, где они необходимы, и производят минимальные отходы и выбросы».
Исследователи говорят, что их устройства могут быть использованы в приложениях от мониторинга здоровья и виртуальной реальности до точного земледелия и мониторинга окружающей среды. В будущем в этот метод волоконной печати могут быть включены другие функциональные материалы для создания интегрированных волоконных датчиков для дополнения живых систем функциями отображения, вычислений и преобразования энергии. Исследование коммерциализируется при поддержке Cambridge Enterprise, подразделения университета по коммерциализации.
