De afgelopen jaren hebben robotici en materiaalwetenschappers over de hele wereld geprobeerd kunstmatige systemen te creëren die op menselijke lichaamsdelen lijken en hun functies reproduceren. Deze omvatten kunstmatige huiden, beschermende lagen die ook de detectiemogelijkheden van robots zouden kunnen verbeteren.

Onderzoekers van de Donghua University in China en het Jülich Center for Neutron Science (JCNS) in Duitsland hebben onlangs een nieuwe en veelbelovende kunstmatige ionische huid ontwikkeld op basis van een zelfherstellend elastisch nanomesh, een verweven structuur die lijkt op de menselijke huid. Deze kunstmatige huid, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Nature Communications , is zacht, vermoeidheidsvrij en zelfherstellend.

"Zoals we weten, is de huid het grootste orgaan in het menselijk lichaam, dat fungeert als zowel een beschermende laag als een sensorische interface om ons lichaam gezond en opmerkzaam te houden," vertelde Shengtong Sun, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan TechXplore . "Met de snelle ontwikkeling van kunstmatige intelligentie en zachte robotica proberen onderzoekers momenteel humanoïde robots te coaten met een 'kunstmatige huid' die alle mechanische en sensorische eigenschappen van de menselijke huid repliceert, zodat ze ook de steeds veranderende externe omgeving kunnen waarnemen zoals wij ."

Omdat de menselijke huid een zeer complex en geavanceerd systeem is, kan het een enorme uitdaging zijn om al zijn functies na te bootsen. De menselijke huid kan bijvoorbeeld verschillende omgevingsveranderingen waarnemen, waaronder druk, vervorming van het oppervlak en temperatuurvariaties, simpelweg door op ionen gebaseerde elektronische signalen op te vangen.

"De menselijke huid voelt zacht aan, maar wordt zeer stevig als hij wordt uitgerekt", zei Sun. "De huid kan ook op natuurlijke wijze wonden in een paar dagen genezen door de structuur en functies volledig te herstellen. Belangrijker is dat de eigenschappen van de huid gedurende ongeveer 1 miljoen cycli van vervormingen per jaar samen met lichaamsbewegingen niet achteruitgaan, wat wijst op zeer goede antivermoeidheidseigenschappen ."

Hoewel materiaalwetenschappers recentelijk verschillende kunstmatige huiden hebben ontworpen, ook wel elektronische of ionische huiden genoemd, kunnen de meeste van deze systemen slechts een deel van de natuurlijke eigenschappen van de huid reproduceren. Sun en zijn collega's proberen al jaren meer huidachtige en realistische materialen te ontwerpen.

"Tijdens het uitvoeren van onze onderzoeken merkten we dat de huid verschillende intrigerende eigenschappen combineert door een hiërarchische nanovezelstructuur, die wordt gedefinieerd door een stijve collageenvezelstructuur ingebed in de zachte verweven elastinematrix," zei Sun. "Deze twee fasen genezen niet alleen met behulp van dermale fibroblasten op de wond, maar geven ook een zeer hoge breuktaaiheid aan de menselijke huid door schade aan de harde collageen-nanofibrillen vast te zetten."

Geïnspireerd door de natuurlijke structuur van de huid, begonnen de onderzoekers een nieuwe kunstmatige huid te ontwerpen op basis van een zelfherstellend nanomesh en een ionische matrix, die de functies van respectievelijk collageen en elastine kunnen repliceren. Dit resulteerde in een huidachtig materiaal dat zacht is maar stevig wordt wanneer het wordt uitgerekt, een eigenschap die bekend staat als "rekverstijving". Bovendien kan hun kunstmatige huid zichzelf na beschadiging autonoom genezen, is ze bestand tegen vermoeidheid en reageert ze snel op vormvervormingen, wat vooral wenselijk is voor detectietoepassingen.

"Geïnspireerd door de herstelbare nanovezelstructuur van de huid, creëerden we een kunstmatige ionische huid door een zelfherstelbare elastische nanomesh-steiger in te bedden in een andere zelfherstelbare zachte ionische matrix," zei Sun. "Het nanomesh werd geproduceerd door elektrospinning van ons synthetische polyurethaan dat zichzelf kan genezen door uitwisseling van disulfidebindingen bij kamertemperatuur. De ionische matrix werd gemaakt door de waterige oplossing van poly (acrylamide-co-acrylzuur), hyaluronzuur en CaCl₂ , die met behulp van vocht kan genezen. Door de geneesbaarheid van de twee moedermaterialen kan de hybride ionische huid ook beschadigingen in korte tijd genezen."

De kunstmatige huid die door Sun en zijn collega's is gemaakt, heeft een unieke elastische en nanovezelstructuur die hem zeer goed bestand maakt tegen vermoeidheid. Meer specifiek kunnen de ingebedde polyurethaan-nanovezels grote krachtoverdrachtslengtes afdekken, waardoor scheuren worden afgestompt en wordt voorkomen dat ze zich verder verspreiden.

Bij de eerste evaluaties behaalde het kunstmatige huidsysteem veelbelovende resultaten. Het team ontdekte dat zelfs met een voorgesneden inkeping erop, het hybride ion meer dan 10.000 rekcycli intact bleef. De berekende vermoeidheidsdrempel van hybride ionische huid is ~2.950 J m ^-2 , bijna twee keer hoger dan menselijke spieren (1.000 J m ^-2 ).

"Zachtheid en rekbaarheid zijn de twee belangrijkste mechanische eigenschappen van huidachtige detectiematerialen," zei Sun. "Conventionele materiaalontwerpen voor zachtheid en rekbaarheid leiden echter vaak tot de lage robuustheid, die wars is van de levensduur van ionische huiden. We hebben dit probleem aangepakt door een hybride ionische huid te produceren die de herstelbare nanovezelstructuur van de menselijke huid nabootst."

Het huidachtige systeem dat door dit team van onderzoekers is gemaakt, is een van de eerste kunstmatige huiden die niet alleen zacht en rekbaar zijn, maar ook betrouwbaar zelfherstellend en bestand tegen vermoeidheid. In de toekomst zou het door Sun en zijn collega's voorgestelde ontwerp kunnen worden gebruikt om andere robuuste en ionengeleidende structuren te creëren op basis van andere materiaalcombinaties.

Bovendien zou hun kunstmatige huidsysteem kunnen helpen bij de ontwikkeling van humanoïde robots die beter bestand zijn tegen vermoeidheid, beter presteren en na verloop van tijd niet zo gemakkelijk beschadigd raken. Hoewel de ionische huid van het team tot nu toe opmerkelijke resultaten heeft behaald, heeft deze nog steeds enkele opmerkelijke beperkingen, die Sun en zijn collega's uiteindelijk hopen te overwinnen.

"Omdat we hygroscopische hydrogel als de ionische matrix hebben gebruikt, is de omgevingsstabiliteit relatief slecht, vooral bij vochtveranderende omstandigheden," voegde Sun eraan toe. "In zeer droge omgevingscondities zal de ionische matrix hard worden door water te verliezen, en het vermogen van de huid om zichzelf te genezen zal ook moeilijk te realiseren zijn. Om deze limiet te overwinnen, zijn we nu gemotiveerd om nog robuustere ionische huiden te produceren die kunnen betrouwbaar werken in zware omstandigheden, zoals lage en hoge temperaturen, onder water, vacuüm of in de aanwezigheid van bijtende stoffen.Dit zal zeer nuttig zijn voor zachte robots die naar verwachting zullen werken in nog ingewikkelder en variabelere omgevingen dan die waarin mensen wonen ." + Verder verkennen

Kneusbare kunsthuid kan protheses helpen, robots voelen verwondingen

© 2022 Science X Network