پوست مصنوعی که می تواند در موقعیت های مختلفی از جمله پروتز استفاده شود.
در شهر گراتس، دو طرف رودخانه Our در اتریش، گاهی اوقات آنقدر سرد می شود که دیگر نمی توانید نوک انگشتان یا حتی انگشتان خود را احساس کنید. اینجا در آزمایشگاهی در TU Graz، دانشگاه دولتی شهر، روی یک ظرف پتری تکه‌ای از پوست مصنوعی یا پوست هوشمند قرار دارد که سازندگان آن می‌گویند حتی از نوک انگشت انسان حساس‌تر است.
از آنجایی که جهان با جدیت بیشتری به دنبال موادی است که حس بیگانه پوشیدنی ها را کاهش می دهد و آنها را شبیه انسان می کند، در اینجا حرکتی در جهت درست وجود دارد، تا جایی که آینده علم مواد پیش می رود. سال گذشته، آنا ماریا کوکلیت و تیم پژوهشگرانش از موسسه فیزیک حالت جامد در دانشگاه فناوری گراتس (TU Graz) نتایج تحقیقات خود را به شورای تحقیقات اروپا ارائه کردند تا بودجه اثبات مفهومی را برای پروژه خود “SmartCore” دریافت کنند. ‘.
SmartCore چیست؟ دکتر کوکلایت و تیمش موفق به توسعه یک ماده ترکیبی سه در یک “پوست هوشمند” شده بودند که با تشخیص همزمان فشار، رطوبت و دما و تبدیل آنها به سیگنال های الکترونیکی، شباهت زیادی به پوست انسان دارد. این ماده هیبریدی با 2000 حسگر منفرد در هر میلی متر مربع، حساس تر از نوک انگشت انسان است که به آن شهرت می بخشد و با ضخامت 0.006 میلی متر، چندین برابر نازک تر از پوست انسان است. این تیم استدلال کرد که با واکنش به این سه تاثیر حسی انسان، نمونه اولیه پوست هوشمند از تمام مواد پوست الکترونیکی موجود در بازار تا به امروز که فقط به فشار و دما واکنش نشان می‌دهند، پیشی می‌گیرد.
دکتر کوکلایت، متخصص حوزه فیزیک جامد، نه تنها بر روی فناوری های نوظهور پیشرفته کار می کند، بلکه این امکان را دارد که علم خود را به روشی که به راحتی قابل درک باشد، توضیح دهد. در مصاحبه تصویری با هندواو تصمیم گرفت تا ذهن خود را رمزگشایی کند: «پوست های مصنوعی مجموعه ای از مواد هستند که سعی می کنند عملکرد پوست ما را تقلید کنند. البته، می دانید، پوست انسان ما بسیار پیچیده است، عملکردهای زیادی دارد، نه تنها حس، بلکه تنظیم حرارتی و محافظت از آن. پروژه های پوست مصنوعی سعی می کنند حداقل برخی از عملکردها را تقلید کنند. در مورد خاص خود، ما بر روی خواص حسگر تمرکز کردیم. بنابراین ما سعی کردیم در دستگاه خود تعدادی سنسور برای رطوبت، دما و فشار قرار دهیم. برای نشان دادن آن مانند پوست انسان، احساس می کنید که چیزی سردتر یا گرمتر را لمس می کنید. به همین ترتیب، این پوست مصنوعی نیز بین اجسام گرمتر سردتر، اجسام با سنبله، بدون سنخ و غیره تفاوت قائل می شود.
علاوه بر این، “پوست انسان دارای وضوح یک میلی متر مربع است. بنابراین این بدان معنی است که اگر جسمی دارید که یک میلی متر مربع یا بزرگتر است، می توانید آن را با انگشت خود احساس کنید. با دستگاهی که تولید کرده‌ایم، حتی توانستیم جریان الکتریکی پیکسلی 0.25 میلی‌متر مربعی کوچکتر از یک میلی‌متر مربع را اندازه‌گیری کنیم. بنابراین، این بدان معنی است که شما می توانید اطلاعات مربوط به نواحی کوچکتر از پوست انسان را نیز به دست آورید. این چگونه سودمند است؟ اول از همه، می تواند پاسخی یکپارچه تر با پاسخ دقیق تر از مقیاس انسانی بدهد. و همچنین می‌توان از آن برای مثال برای سنجش اجسام کوچکتر استفاده کرد.» سالها از ساخت آن گذشته است. در حالی که کار بر روی پروژه پوست مصنوعی در سال 2016 با تامین بودجه آغاز شد. بسته به رطوبت و دما.”
همه چیز در مورد مواد
که همه چیز را به معنای واقعی کلمه در دست مواد مورد استفاده برای نمونه اولیه قرار می دهد، آنها اجزای اساسی کل فرآیند هستند. دکتر کوکلیت توضیح می‌دهد: «بنابراین، یکی یک ماده پیزوالکتریک است که وقتی فشرده یا کشیده شود، جریان الکتریکی تولید می‌کند. به عنوان مثال، این نوع مواد به پوست مصنوعی اجازه می دهد تا نیرو یا فشار را حس کند. ماده دیگری که در این مورد نیز بسیار اساسی است، پلیمر هوشمند است که بسته به رطوبت و دما ضخامت آن تغییر می کند و به ویژه این دو ماده در نانو میله های مختلف ترکیب شده اند. بنابراین میله های بسیار بسیار بسیار کوچکی که پلیمر در وسط و مواد پیزوالکتریک در خارج قرار دارد. و آنچه اتفاق می‌افتد این است که وقتی پلیمر منبسط می‌شود، به دلیل تغییر دما یا رطوبت، فشاری بر ماده پیزوالکتریک وارد می‌کند و در نتیجه جریان الکتریکی ایجاد می‌کند.
به طور طبیعی، الهام از اصل – پوست انسان – و همچنین سایر نمونه‌های بیومیمتیک، به عنوان مثال، مخروط‌های کاج یا برگ‌های گیاهان، این نوع تغییر شکل و ضخامت را بسته به رطوبت و دما نشان می‌دهند. بنابراین، پلیمر هوشمند، از برخی جهات، پدیده‌های دیگری را در طبیعت تقلید می‌کند. آیا این مواد زیست سازگار هستند؟ ما می‌خواستیم این مواد زیست سازگار باشند، زیرا کاربردهایی را در بخش زیست‌پزشکی برای استفاده در بین انسان‌ها در نظر گرفته بودیم. برای ایجاد این حسگرها و به خصوص داشتن آنها بسیار ریز، به طوری که وضوح تصویر کمتر از وضوحی باشد که پوست انسان قادر به انجام آن است، ما از تکنیک رسوب شیمیایی دقیق بخار برای داشتن یک محصول خوب استفاده می کنیم.
پایدار بودن
برای کسانی که می‌دانند دنباله‌ای زباله را ترک کنند و از پایداری هر پروژه مطمئن شوند، مزیت دیگری که تیم دکتر کوکلایت ارائه می‌دهد اندازه است. تمام حسگرهایی که ما استفاده می کنیم همگی از لایه های نازک بسیار کوچکتر از یک میلی متر ساخته شده اند. این بدان معنی است که مقدار مواد مورد استفاده واقعاً کم است. و بنابراین ردپای زیادی از این مواد باقی نمانده است. ضخیم ترین قسمت کل این دستگاه در واقع زیرلایه ای است که در آن از فویل پلاستیکی استفاده کرده ایم، اما می تواند فویل کاغذی نیز باشد، با قابلیت تجزیه زیستی بهتر. بنابراین، می توان آنها را با مواد بسیار سازگارتر با محیط زیست نسبت به نمونه اولیه ما ساخت.» دکتر کوکلایت توضیح می دهد.
استفاده های بیو زندگی واقعی
با موفقیت نمونه اولیه و مسلح شدن با بودجه ERC که مسیر پیش رو را هموار کرد، دکتر کوکلایت و تیمش امیدوارند که پیامدهای پوست هوشمند برای مراقبت های بهداشتی و روباتیک را بیشتر بررسی کنند. یکی از زمینه های کاربرد عملی که او و تیم را واقعا هیجان زده می کند، پروتز است. پوست مصنوعی می‌تواند پروتز را بپوشاند و به بیمار قطع عضو کمک کند تا حس خود را دوباره به دست آورد. بنابراین نمی‌توانم بگویم که اثر درمانی دارد، اما می‌توان از آن برای برخی وسایل پزشکی استفاده کرد، مثلاً برای بازگرداندن حس به افرادی که عضوی از بدن خود را از دست داده‌اند.» اگر محققان بتوانند سیگنال‌های پوست هوشمند را با شبکه‌های عصبی انسان ادغام کنند و به مغز یاد دهند که این سیگنال‌های جدید را بخواند، چنین پروتز هوشمندی می‌تواند امکان‌پذیر باشد. اکنون کارهای زیادی در این جبهه تحقیقاتی در حال انجام است.»
طبق گزارش سازمان جهانی بهداشت (WHO)، سالانه حدود 200000 نفر به دلیل مرگ گیرنده های پوستی دچار سوختگی شدید می شوند و حس خود را از دست می دهند. پوست هوشمند می تواند به عنوان یک “گچ” عمل کند تا به قربانیان سوختگی کمک کند تا احساسات خود را بازیابند. برای دکتر کوکلایت، این احتمالاً بهترین چیزی است که او می تواند به آن امیدوار باشد. “من فکر می کنم توسعه برنامه های کاربردی زیست پزشکی تنها زمینه ای است که من بیشتر به آن علاقه مند هستم. زیرا فکر می کنم از دیدگاه من بسیار جالب خواهد بود اگر یکی از پروژه های تحقیقاتی من بتواند به بیمارانی که آن را از دست داده اند بازگرداند احساسات یا مشکلات واقعی را حل کند.»
در میان پیش بینی ها، پوست هوشمند همچنین می تواند به عنوان سنسور با ساعت های هوشمند استفاده شود، زمانی که برای جمع آوری اطلاعات دقیق در مورد وضعیت سلامت بیماران برنامه ریزی شده است. به این ترتیب، رطوبت پوست، مقدار pH و دما می تواند به طور مداوم کنترل شود.
یک کار بی سیم
این دانشمند با کمک بودجه PoC می‌خواهد اتصال بی‌سیم پوست الکترونیکی را به یک سیستم نظارت بر زمان واقعی توسعه دهد. این برای انتقال داده های مهم در مورد دما، رطوبت و فشار از طریق بلوتوث به یک برنامه تلفن هوشمند است که می تواند برای نمایش برداشت های حسی ثبت شده استفاده شود. همانطور که دکتر کوکلایت می گوید، نقطه مرکزی در انتقال نمونه اولیه از آزمایشگاه به میدان، دستیابی به نوعی تشخیص بی سیم است. نمونه اولیه فعلی باید با سیم وصل شود. او امیدوار است که این تقویت احتمالاً طی یک جدول زمانی پنج سال آینده انجام شود. او همچنین به کار الهام‌بخش تیمی در استنفورد اشاره می‌کند که مدارهای مجتمع نرمی را تولید می‌کند که فشار یا دما را به سیگنال‌های الکتریکی شبیه به تکانه‌های عصبی که برای ارتباط با مغز استفاده می‌شود، تبدیل می‌کند. اگرچه آنها از روش‌های مختلف و مواد مختلف استفاده می‌کنند، اما این کار کاملاً الهام‌بخشی است که نشان می‌دهد چگونه پوست مصنوعی می‌تواند با مغز ارتباط برقرار کند. این به ما امید می دهد.»
او با تشریح وظایف پیش رو برای تیم خود، می‌گوید که این کار در بهینه‌سازی نمونه اولیه، توسعه تشخیص بی‌سیم و همکاری با شرکت‌هایی است که علاقه‌مند به آزمایش این برنامه در زمان واقعی و در موقعیت‌های واقعی هستند. در عین حال، ما به کار بر روی این نوع مواد پاسخگو و مواد بیومیمتیک ادامه خواهیم داد.
من واقعاً فکر می کنم که چیزهای زیادی در آنجا اتفاق می افتد. آنچه که خوب است ترکیب همه این حسگرها یا ابزارهای پوشیدنی با یادگیری هوش مصنوعی با الگوریتم های یادگیری است. بنابراین واقعاً، من فکر می‌کنم، در آینده‌ای نه چندان دور، ما کاملاً به حسگرهایی متصل خواهیم شد که دائماً تمام موارد حیاتی ما را بررسی می‌کنند. این در آینده خیلی دور نیست.»
جدول زمانی واقعی
همچنین، با پر شدن غیرمنتظره‌ای که تحقیقات علمی پس از همه‌گیری کووید دریافت کرد، او احساس می‌کند بودجه برای تحقیقات بسیار مهم است. اگر به توسعه واکسن‌های کووید و سرعت دریافت آنها نگاه کنید، اکنون واضح است که سرمایه‌گذاری در تحقیقات واقعاً می‌تواند برای جامعه بزرگتر مفید باشد. واضح است که اگر برای نوآوری سرمایه گذاری کنید، تمام دنیا از آن سود می برند.
جدول زمانی دکتر کوکلایت مبتنی بر خوش بینی به آینده است، اما همچنین شناخت او از آنچه در بخش ابزارهای پوشیدنی اتفاق می افتد، که عملاً یک انفجار از نظر تحقیقات انجام شده در این زمینه و همکاری های بین بخشی متعددی است که با کمک مالی تقویت می شود. با توجه به اینکه او و تیمش در مدت نسبتاً کوتاهی برای علم مسافتی را طی کرده اند – در حدود شش سال گذشته – به راحتی می توان خوش بینی او را به اشتراک گذاشت، همانطور که از جانب کسی که ثابت کرده است مطمئناً این کار را انجام داده است.