توفر بشرتنا طبقة واقية لأجسامنا ، ولكنها تتيح أيضًا ردود فعل حسية مفصلة وتفاعلات سلسة مع محيطنا ، وقد تمكن العلماء من إنشاء جلد إلكتروني اصطناعي يحاكي هذه الخصائص الفريدة للبشرة الحقيقية.
وفقًا لموقع “RT” ، يمكن للمستقبلات الميكانيكية في جلد الإنسان أن تستشعر المنبهات الخارجية لوزن رقيق مثل الفراشة ، أو حرارة اللهب القريب أو برودة مشروب بارد ، وفهم ما إذا كانت اليد مرفوعة بقبضة أم علامة على السلام ، واحسب نبض شخص ما عن طريق اللمس.
كان المهندسون قادرين على تصميم جلد إلكتروني صناعي من مواد ناعمة ومرنة تحاكي كل من هذه الحواس في طبقة واحدة من مادة تشبه الجلد يمكنها التواصل مباشرة مع الدماغ.
في حين تطلبت الجهود السابقة إلكترونيات صلبة لتحويل الإشارة المتصورة إلى نبضات كهربائية يمكن للدماغ أن يقرأها ، أنتج باحثون في جامعة ستانفورد دوائر ناعمة متكاملة تحول الضغط أو درجة الحرارة المحسوسة إلى إشارات كهربائية مشابهة للنبضات العصبية للتواصل مع الدماغ.
يأمل الباحثون يومًا ما في توجيه هذه الإشارات إلى شرائح الاتصال اللاسلكي المزروعة في العصب المحيطي للسماح لمبتوري الأطراف بالتحكم في أطرافهم الاصطناعية. قد تشمل الاستخدامات المحتملة الأخرى الأجهزة الطبية الحديثة القابلة للزرع أو القابلة للارتداء.
قال شنين باو كيكي لي ، أستاذ الهندسة الكيميائية وكبير مؤلفي الدراسة من جامعة ستانفورد: “لقد عملنا على الجلد الإلكتروني المترابط لبعض الوقت”. “لم تكن العقبة هي إيجاد آليات لتقليد القدرات الحسية الرائعة لللمسة البشرية ، ولكن جمعها معًا باستخدام مواد تشبه الجلد فقط.”
وأضاف Weichen Wang ، مرشح الدكتوراه في مختبر الدكتور Shannen ، وهو المؤلف الأول للورقة البحثية: “يتمثل جزء كبير من هذا التحدي في تطوير مواد إلكترونية تشبه الجلد يمكن دمجها في دوائر متكاملة ذات تعقيد كافٍ لتوليد نبضات متسلسلة”. وعمل على النموذج الأولي لمدة 3 سنوات. تشبه الأعصاب وبجهد تشغيل منخفض بدرجة كافية لاستخدامها بأمان على جسم الإنسان “.
كان الهدف عبارة عن دائرة متكاملة ناعمة يمكنها محاكاة آلية المستقبلات الحسية وتعمل بكفاءة عند الفولتية المنخفضة. تطلبت محاولات وانغ الأولى أكثر من 30 فولتًا أو أكثر ولم تتمكن من تحقيق وظائف دارة كافية.
وكشف أن “هذا الجلد الإلكتروني الجديد يعمل بجهد 5 فولت فقط ويمكنه اكتشاف المحفزات المشابهة للبشرة الحقيقية”.
سيكون الجلد الاصطناعي أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة للأطراف الصناعية في العصر الجديد التي لا تعيد فقط الحركة والوظائف ، مثل القبضة ، ولكنها توفر أيضًا ردود فعل حسية (استقبال الحس العميق) التي تساعد المستخدم على التحكم في الجهاز بدقة. ليس ذلك فحسب ، بل يجب أن تتمدد المادة الحسية للجلد نفسها وتعود بلا توقف ، مرارًا وتكرارًا ، دون أن تفقد أبدًا خصائصها الكهربائية التي تشبه الأعصاب.
ابتكر الفريق هيكلًا عازلًا من ثلاث طبقات ساعد في زيادة حركة ناقلات الشحنة الكهربائية بمقدار 30 مرة مقارنة بالعوازل أحادية الطبقة ، مما يسمح للدوائر بالعمل بجهد منخفض. ومن المثير للاهتمام أن إحدى الطبقات الثلاث هي النتريل ، وهو نفس المطاط المستخدم في القفازات الجراحية.
تتكون غالبية الجلد الإلكتروني من عدة طبقات من مواد تشبه الجلد. جزء لا يتجزأ من كل طبقة عبارة عن شبكات من الهياكل النانوية العضوية التي تنقل الإشارات الكهربائية حتى عند التمدد. يمكن تصميم هذه الشبكات لاستشعار الضغط ودرجة الحرارة والضغط والمواد الكيميائية.
كل مدخل حسي له دارة متكاملة خاصة به ، وبعد ذلك ، يجب تجميع جميع الطبقات الحسية المختلفة معًا في مادة واحدة متجانسة لا تفصل أو تمزق أو تفقد الوظيفة الكهربائية.
يبلغ سمك كل طبقة إلكترونية بضع عشرات إلى مائة نانومتر ، وتكون المادة النهائية لنصف دزينة أو نحو ذلك من الطبقات أقل من ميكرون.
“هذا في الواقع رقيق جدًا بحيث لا يمكن التعامل معه بسهولة ، لذلك نستخدم ركيزة لدعمه ، مما يجعل غلافنا الإلكتروني يصل إلى حوالي 25-50 ميكرون ، بسماكة ورقة تقريبًا. وهي في نطاق سمك مماثل للطبقة الخارجية قال شنين.
هذا النظام هو الأول الذي يجمع بين الاستشعار وجميع الميزات الكهربائية والميكانيكية المرغوبة لجلد الإنسان في شكل ناعم ومتين يمكن استخدامه في الجيل التالي من جلود الأطراف الاصطناعية والواجهات المبتكرة بين الإنسان والآلة لتوفير إحساس باللمس يشبه الإنسان.
