Comfortabele rekstrookjes kunnen direct op de menselijke huid worden geplaatst om continue bewegingsactiviteit te volgen met wijdverbreide toepassingen in robotica, menselijke bewegingsdetectie, en persoonlijke gezondheidszorg. Echter, het is een uitdaging om een ​​huidspanningsmeter te ontwikkelen om de bewegingen van het menselijk lichaam op lange termijn te volgen zonder de natuurlijke beweging van de huid te verstoren. In een nieuw verslag nu op wetenschappelijke vooruitgang , Yan Wang, en een team van wetenschappers in elektrotechniek aan de Universiteit van Tokyo en het Center for Emergent Matter Science in Japan presenteerden een ultradun en duurzaam nanomesh-rekstrookje. Het apparaat maakte continue bewegingsactiviteit mogelijk om de mechanische beperkingen op natuurlijke huidbeweging te minimaliseren. Ze hebben het apparaat ontworpen met behulp van versterkte polyurethaan-polydimethylsiloxaan (PU-PDMS) nanomeshes voor uitstekende duurzaamheid en duurzaamheid. De geometrie en zachtheid van het apparaat zorgden voor minimale mechanische interferentie voor natuurlijke huidvervormingen. Tijdens spraaktesten, bijvoorbeeld, het aan de nanomesh bevestigde gezicht vertoonde een huidbelasting die vergelijkbaar was met de natuurlijke huid zonder nanomesh. Wang et al. aangetoonde gezichtsmapping op lange termijn om real-time te detecteren, stabiele lichaamsbewegingen met oppervlaktegebonden nanomesh-sensoren.

Engineering van een nanomesh

Draagbare elektronica voor toepassingen op de huid is ontworpen om dun, zacht en duurzaam om te integreren met de menselijke huid voor continue langdurige toepassingen. Rekstrookjes hebben aanzienlijke belangstelling gewekt in bio-engineering vanwege hun toepassingen in mens-machine-interfaces voor gezondheidsdiagnostiek. Zachte en zeer nauwkeurige rekstrookjes kunnen worden toegepast om de biologische orgaanfunctie continu te meten. Echter, ze hebben eenvoudigere mechanismen om repetitieve elektrische veranderingen te genereren na mechanische vervorming, voor toepassingen die biologische systemen met elkaar verbinden. De apparaten vereisen alleen een hoge mechanische compliantie, flexibiliteit, gevoeligheid en biocompatibiliteit voor een optimale werking. In dit werk, Wang et al. ontwikkelde een ultradun en duurzaam nanomesh-rekstrookje om menselijke beweging te detecteren en tegelijkertijd mechanische beperkingen op de natuurlijke huid te minimaliseren. Ze gebruikten PU-PDMS (polyurethaan-polydimethylsiloxaan) om de nanomeshes te ontwerpen met een ultralicht gewicht van 0,12 mg/cm ² en buitengewone mechanische duurzaamheid voor rek- en lostoepassingen met een hoge cyclus. Het team gebruikte de opstelling om de huidspanning van het gezicht tijdens spraak tot 3,5 uur met minimale mechanische interferentie in kaart te brengen na langdurig dragen.

Tijdens de experimenten, het team eerste elektrospun PU (polyurethaan) nanovezels om lange, haarachtige vezels om de ruggengraat van de permeabele nanomesh-sensor te vormen. In de volgende stap, ze doopten het PU-nanovezelvel in een verdunde PDMS-oplossing (polydimethylsiloxaan) voor de nanovezels om willekeurige bundels te vormen omringd door PDMS. Wang et al. het materiaal onderworpen aan milde blootstelling aan ultraviolet (UV) ozon om het oppervlak te genezen en de hydrofiliciteit van het oppervlak (waterminnende aard) voor biocompatibiliteit te vergemakkelijken. Ze voltooiden het apparaat met behulp van goudafzetting aan beide zijden en observeerden de resulterende PU-PDMS-kernmantel met behulp van scanning-elektronenmicroscopie (SEM). De PDMS-coating verbeterde de interconnectiviteit tussen de nanovezels voor een verbeterde structurele integriteit van de constructies. De resulterende mechanische sterkte van het vrijstaande PU-PDMS nanomesh verbeterde enorm met een grotere rekbaarheid in vergelijking met de kale nanovezelplaat en het team onderzocht ook de gasdoorlaatbaarheid.

Programmeerbare rekbaarheid en gevoeligheid

Wang et al. effectief verschillende nanomesh-structuren ontworpen door de PDMS-concentratie te variëren om nanomesh-rekstrookjes met verschillende gevoeligheden en rekbaarheid te verkrijgen. Echter, alle apparaten behielden vergelijkbare poriegrootteverdelingen ten opzichte van hun poreuze structuur. De wetenschappers definieerden de meetfactor (GF) of spanningsgevoeligheid als de verhouding van fractionele verandering in elektrische weerstand tot de fractionele verandering in lengte. Verschillende mesh-structuren vertoonden verschillende rekbaarheid en gage-factoren. Tijdens uniaxiaal rekken, de weerstand van elk apparaat nam toe met verschillende snelheden. Door de PDMS-oplossing te verdunnen, ze hebben de nanomesh-rekstrookjes effectief geprogrammeerd met verschillende rekbaarheid en gevoeligheden. Bij hogere spanningen buiten het tolerantiebereik, de PU-PDMS-mazen losgekoppeld om nanomesh-afbraak te veroorzaken, terwijl de nanomesh-structuur zou kunnen worden behouden door de stam vrij te geven.

Elektromechanische duurzaamheid, betrouwbaarheid en duurzaamheid van PU-PDMS nanomesh-sensoren

Om de duurzaamheid van apparaten te begrijpen, het onderzoeksteam oefende gedurende 12 uur een belasting van 40% uit op het apparaat. Ze voerden vervolgens cyclische tests uit om de mechanische duurzaamheid van het construct te onderzoeken en merkten een lichte hysterese in weerstand op in de eerste paar honderden cycli als gevolg van de mechanische eigenschappen van PDMS. De velweerstand van het PU-PDMS nanomesh was stabiel onder 100 dagen opslag in omgevingsomstandigheden vanwege het inerte gouden oppervlak, wijst op een lange houdbaarheid, zeer geschikt voor praktische toepassingen. De wetenschappers voerden duurzaamheidstests uit voor de nanomesh-sensoren met behulp van constructies die zijn ontworpen met verschillende nanovezelsteigers, waaronder polyvinylalcohol (PVA), polyurethaan (PU) alleen en PU met paryleencoating. Vergeleken met de drie andere nanomeshes die niet zo effectief presteerden, de PU-PDMS nanomeshes vertoonden uniforme cyclische spanning gedurende 100 cycli.

Nadat het nanomesh-apparaat op de menselijke huid is bevestigd, het team besproeide het oppervlak met waternevel voor een stabiele hechting. Het contact was tijdens het experiment nauwelijks waarneembaar voor de proefpersoon die de nanomesh-sensoren droeg. Wang et al. bevestigde nanomesh-sensoren aan de rechterkant van het gezicht en plaatste zwarte rechthoekmarkeringen aan de linkerkant als referentie. Toen de proefpersoon de letters "a, " "o" en "u, " de hoogste stammen geregistreerd voor zwarte markers varieerden tussen 17,5 en 25%, terwijl die geregistreerd voor nanomesh-sensoren 18,3 tot 23,6% waren. De resultaten van de stammapping toonden daarom een ​​symmetrische verdeling van de huidbelasting aan de rechter- en linkerkant van het gezicht, het benadrukken van minimale mechanische beperkingen van apparaten op nanoschaal op de huid tijdens spraak. De aanpasbare nanomeshes kunnen 3,5 uur worden gedragen zonder ongemak.

Het team breidde vervolgens de experimenten uit om subtiele huidvervormingen op de menselijke pols veroorzaakt door puls te detecteren. Ze drukten zachtjes op de radiale slagader van de menselijke pols bevestigd met een nanomesh-sensor en kozen de amplitude en frequentie in realtime, het apparaat kan worden gebruikt om signalen voor en na lichamelijke inspanning te monitoren. De constructie behield een hogere lineaire rekbaarheid om grote buigbewegingen van de gewrichten te detecteren met een uitstekende compliantie om breuk of losraken van de huid te voorkomen. De reksensor behield de effectieve functionaliteit zelfs na 10, 000 buig-/ontspannende cycli om de structurele integriteit en vervormbaarheid tussen de huid en het apparaat aan te tonen.

Op deze manier, het op PU-PDMS (polyurethaan-polydimethylsiloxaan) gebaseerde ultrazachte, meerlagige nanomeshes die in dit werk zijn ontwikkeld, waren dunner en rekbaarder in vergelijking met eerder werk dat door hetzelfde team werd uitgevoerd. De constructies vertoonden opmerkelijke duurzaamheid en duurzaamheid tijdens cyclische rektests. De mechanische duurzaamheid was een belangrijk kenmerk voor langdurige, zeer nauwkeurige huidbewakingstests in realtime. De nanomesh-sensoren zijn zeer geschikt voor een reeks praktische toepassingen, waaronder persoonlijke gezondheidsmonitoring op afstand, het volgen van duursportprestaties en als protheses voor huid-machine-interface. Wang et al. stel voor om de gouden oppervlaktelaag te vervangen door meer kosteneffectieve geleidende nanomaterialen om in de toekomst nanomesh-elektronica te bouwen. De wetenschappers stellen zich voor dat deze constructies toepasbaar zullen worden als futuristische on-skin/implanteerbare elektronica voor dagelijkse monitoringactiviteiten in de gezondheidszorg.

© 2020 Wetenschap X Netwerk