Lenyűgöző e-bőr fejlesztések – Mire jók a nyújtható, öngyógyuló, látó mesterséges bőrök?
Újabb, tudományos-fantasztikus történetbe illő e-bőr fejlesztés látott napvilágot Austinban, a Texasi Egyetem laboratóriumában, ahol kutatók egy csoportja forradalmi, flexibilis mesterséges bőrt fejlesztett. A Cell folyóiratban bemutatott eszköz az emberi bőr tulajdonságait utánozza: nyújtáskor is megőrzi az érzékenységét, puhaságát és pontosságát, ami jelentős előrelépést jelenthet a finom tapintást igénylő alkalmazásokban. Ilyenek például a törékeny tárgyakat megfogó robotok vagy az egészségügyben várva várt high-tech művégtagok.
„Az e-bőrnek ugyanúgy nyúlnia és hajolnia kell, ahogy az emberi bőrnek, hogy képes legyen alkalmazkodni a mozgásunkhoz” – idézi a TechXplore Nanshu Lu projekt vezetőt (fenti kép). A professzor szerint nem számít, hogy az általuk alkotott e-bőr mennyire nyúlik meg, „a nyomásválasza akkor sem változik, ami jelentős eredmény”.
Mit tud a legújabb e-bőr és ez miért fantasztikus?
Ez az e-bőr technológia érzékeli a tapintásból származó nyomást, ami egy ember számára természetes, de egy csatlakoztatott géptől elképesztő – egyben lényeges is, hiszen ez alapján tudja, hogy mekkora erőt kell kifejtenie például egy pohár megfogásához vagy egy ember megérintéséhez. Kritikus fontossággal bír, hogy a deformálódás ne befolyásolja az érzékelését: ne „higgye” például tévesen azt, hogy nagyobb erőt kell kifejtenie, hiszen ezzel kárt tehet a megfogott tárgyban vagy személyben. A lényeg, hogy a mesterséges bőr nyúlásának nem szabad torzítania a szenzorok nyomásérzékelő képességét. Ez alapvető probléma, és jó ideje megoldásra várt, mert enélkül nehéz továbblépni az e-bőr fejlesztésekkel.
Az austiniak a nyújthatóság laboratóriumi teszteléséhez alakváltoztatásra képes, felfújható szondát és fogót készítettek, majd beburkolták őket a nyújtható e-bőrrel és elkezdtek velük különféle, érzékeny, érintésalapú feladatokat végrehajtani. A szondát emberi alanyokon használták, a pulzus kitapintására és mérésére, míg a fogóval egy termoszt, illetve egy törékeny tacot ragadtak meg, anélkül, hogy összenyomták volna.
Lu és csapata szabadalmaztatta a technológiát, így a továbbiakban a lehetséges alkalmazási területeket kutatása a cél. Először egy e-bőrrel felszerelt robotkart szeretnének építeni, majd piacra dobni. Nem csak ők jeleskednek ugyanakkor ezen a kutatási területen, és messze nem csak ez az egy nyújtható anyag érdekes, hiszen az e-bőrnek számtalan felhasználási lehetősége van, a gyógyászattól a puha robotokon és humanoidokon át a sportig és a szórakoztatóiparig. Íme, még néhány elképesztő példa.
Szuperérzékeny, állapotfelmérő e-bőr
A szaúd-arábiai Abdullah Király Technológiai és Tudományegyetem (KAUST) tudósai évek óta tökéletesítik azt a hidrogél alapú, integrált nanovezetékekkel rendelkező e-bőrt, ami többezer deformáció után is képes érzékelni a hőt és más ingereket. A Science-ben publikált tanulmányuk alapján a felső réteget az alatta húzódó nanohuzalok kötik össze a többivel, ami lehetővé teszi, hogy ne csak közvetlen tapintást érzékeljen, hanem húsz centiméterre lévő tárgyakat is, és az ingerekre a másodperc törtrésze alatt reagáljon.
A KAUST csapata kifejezetten úgy tervezte meg ennek az e-bőrnek a prototípusát, hogy az az emberi testre tapadva olyan valós idejű biológiai információkat nyerjen ki, majd továbbítson (wifin keresztül), mint például a vérnyomásérték, amire az artériák rezgéseiből és az ízületek mozgásából következtet. A végső cél viszont nem feltétlenül gyógyászati: a kutatók azt szeretnék, ha az eszközük élettelen tárgyakra helyezve is képes lenne információkat gyűjteni. Ha sikerül, folyamatosan ellenőrizhetővé válik fontos infrastruktúrák, használati tárgyak, személy- és teherszállító járművek (például repülőgépek) műszaki állapota.
Napelemes, LED-szenzoros e-bőr, ami „lát” is
A Glasgow-i Egyetemen, kifejezetten gépek számára fejlesztett e-bőr segítségével a robotkarok képesek utánozni az emberi érintést, ráadásul miniatűr, integrált szolárcellákat is tartalmaz, ami lehetővé teszi, hogy az ezzel burkolt eszközök napenergiát gyűjtsenek. Az igazi szenzáció ugyanakkor az, hogy a különböző formájú tárgyak alakjára már az előtt képes következtetni, hogy hozzájuk érne – kvázi úgy, ahogy az ember, aki ránéz egy tárgyra és rögtön tudja, milyen irányból, mekkora erővel fogja meg. Az alakzat érzékelését apró LED-ek beépítésével értek el: az e-bőr infravörös fényt vetít a megközelített tárgyra, majd fényméréssel megállapítja annak formáját, így előre tudja, hogyan érjen hozzá.
Fotó: Glasgow-i EgyetemAz IEEE-ben demonstrált technológia „a világ első energiát is termelő e-bőre, ami érintéses visszacsatolást nyújt, érzékelők nélkül” – magyarázta a kutatást vezető Ravinder Dahiya professzor.
„A minimális mennyiségű szenzor azt is jelenti, hogy a bőrnek nincs szüksége túl sok energiára a működéshez, és saját maga is energiaforrás: képes a hozzá kapcsolt tárgyak, így például a robotkéz áramellátására, de nem kell, hogy folyamatosan fény érje, hiszen készítettünk hozzá energiatárolásra alkalmas, rugalmas szuperkondenzátorokat is.”
A tudós azt reméli a technológiától, hogy egy napon energia szempontjából önellátó, tapintásérzékelő művégtagokat lehet belőle létrehozni. Ettől függetlenül az e-bőr ipari felhasználásának lehetőségeit is kutatja: az e-bőrt elsősorban kobotok és biztonsági berendezések részeként tudja elképzelni.
Öngyógyuló e-bőr
Ha már az emberi bőr tulajdonságainak utánzásánál tartunk: létezik olyan e-bőr, ami, ha megsérül, a humán szövetekhez hasonló módon „begyógyul”. A Coloradói Egyetemen évek óta fejlesztés alatt álló, ragtapasznál is vékonyabb, rugalmas eszköz bármilyen alakban felhelyezhető az emberi testre, szóval annak ellenére sem egy egyszerű fitneszkarkötő alternatívája, hogy az első funkció, amivel ellátták, a lépésszámláló. Ez persze csak egy a lehetséges felhasználási módok közül, hiszen „egy áramkörökkel átszőtt, vékony, kényelmesen viselhető filmrétegről van szó”, és mint ilyen, sokféle funkciót kaphat, magyarázta az egyetem közleményében az egyik fejlesztő, Wei Zhang, aki Jianliang Xiao-val közösen hozta létre az öngyógyuló anyagot.
Fotó: Coloradói EgyetemBár rendkívül rugalmas e-bőr, ha valaki a használat közben mégis elszakítaná, vagy kitépne belőle egy darabot, akkor elég összeilleszteni a sérülés helyén, hogy az anyag egyből regenerálódni kezdjen, majd 13 percen belül látható nyom nélkül összeforrjon. Ezt a lenyűgöző, emberi bőrhöz hasonló tulajdonságot a polyimine nevű anyagnak köszönheti. Mivel egyelőre nem sok funkcióval tudták felruházni, ez az e-bőr nem nevezhető versenyképesnek, viszont továbbfejlesztve biztosan van létjogosultsága, pláne úgy, hogy Zhangék szerint száz százalékban újrahasznosítható.
Chip és akkumulátor nélküli e-bőr
Az MIT kutatásának eredménye az az e-bőr variáció, ami képes kivonni a képletből az elektronikai berendezések két legmerevebb alkatrészét, a chipet és az akkumulátort. A kutatók a Science-ben közölt leírás szerint formabontó megoldást alkottak: egy olyan, mikroszkopikus vékonyságú, alig észrevehető ragtapaszként viselhető e-bőrt, ami vezeték nélküli kapcsolattal tud adatokat továbbítani, például az emberi test szívveréséről vagy kémiai folyamatairól. A méréseket akusztikai hullámok figyelésével hajtja végre – köszönhetően az egykristályos gallium-nitrid membránokból készülő szenzoroknak, amelyekből az emberi hajszálnál ötször vékonyabb, legfeljebb 20 mikrométeres, piezoelektromos filmek készülnek. Ezek képesek az elektromos jelek hanghullámokká alakítására (és fordítva), az okostelefonok vezeték nélküli vevője pedig gond nélkül érzékeli az e-bőr fizikai változása által előidézett mechanikai rezgések információit.
Ez csak néhány példa a sok ígéretes e-bőr fejlesztésre, ami a világon zajlik. A technológia számos területen forradalmasíthatja az életünket, az egészségügytől a robotikán át a viselhető elektronikáig. Azt ugyan nehéz lenne megjósolni, hogy melyek és milyen formában fognak megjelenni a hétköznapjainkban, hiszen nagyon sok múlik a fentebb írt tudósokat támogató intézményeken, illetve a projektek szponzorain. Ahhoz, hogy az egyes funkciók minden gyerekbetegségét leküzdjék és piacképes termékeket tegyenek le az asztalra, feltétlenül szükséges, hogy azok vagy gazdasági, vagy társadalmi haszonnal kecsegtessenek. Ötletekben és lenyűgöző megoldásokban nincs hiány. Reméljük, hogy a világ kormányai, vállalatai, szervezetei felfedezik maguknak ezeket a technológiákat és a közreműködésükkel eljuthatnak a fogyasztókhoz.
