Inteligentna skóra o precyzyjnych właściwościach sensorycznych
Ludzka skóra to niezwykle złożony i wyspecjalizowany narząd pełniący między innymi funkcje percepcyjne – odbiera bodźce środowiskowe i przekazuje te informacje do mózgu. Posiada ona kilka rodzajów receptorów czuciowych i zakończeń nerwowych, które umożliwiają wyczuwanie temperatury i bodźców mechanicznych. Ponadto jest to narząd zdolny do odbierania wrażeń dotykowych, czyli wyczuwania faktur, kształtów i innych cech fizycznych przedmiotów, z którymi się styka. Dzięki temu skóra przekazuje ciału bogaty wachlarz informacji czuciowych, umożliwiających człowiekowi doświadczanie świata i reagowanie na otoczenie w bardzo złożony sposób. Chociaż w ostatnim dziesięcioleciu poczyniono znaczne postępy, jeśli chodzi o rozumienie tego skomplikowanego układu, opracowanie sztucznej skóry o właściwościach i funkcjach podobnych do skóry ludzkiej jest stosunkowo nową dziedziną obiecującą ogromne możliwości. Idealna sztuczna skóra powinna mieć kilka cech, które jak najwierniej imitują właściwości naturalnej skóry ludzkiej, w tym biokompatybilność, właściwości mechaniczne i percepcję zmysłową.
Innowacyjna sztuczna skóra bazująca na połączeniu wielu czujników
Celem finansowanego przez Unię Europejską projektu SmartCore było innowacyjne połączenie funkcji wyczuwania temperatury, wilgotności i ciśnienia w ramach jednej sztucznej skóry i zapewnienie uzyskiwanym „pomiarom” wysokiej rozdzielczości przestrzennej. „Aby stworzyć spełniającą swoje funkcje sztuczną skórę, konieczne jest zastosowanie materiałów o odpowiednich właściwościach mechanicznych i elektrycznych oraz kontrolowanie grubości i wielkości warstw na poziomie mikroskali za pomocą różnych technik”, wyjaśnia główna badaczka projektu Anna Maria Coclite. W związku z tym naukowcy opracowali hybrydowy materiał złożony z piezoelektrycznego tlenku cynku i inteligentnego polimeru. Piezoelektryk to taki materiał, który wytwarza sygnał elektryczny pod wpływem zmiany kształtu i dlatego może być stosowany w czujnikach ciśnienia/naprężenia, takich jak te wbudowane w ekrany dotykowe. Z kolei inteligentny polimer został zaprojektowany tak, aby reagował na temperaturę i wilgotność i mógł zmieniać kształt. Oba materiały zostały umieszczone w nanostrukturze typu rdzeń–powłoka, w której inteligentny polimer znajduje się w rdzeniu, a piezoelektryk – na powłoce. Dzięki temu w momencie, gdy materiał piezoelektryczny zmienia kształt pod wpływem temperatury lub wilgotności, zaczyna wywierać nacisk na tlenek cynku, powodując powstanie sygnału, który można następnie zmierzyć.
Biokompatybilne materiały i zwiększona rozdzielczość
„Sztuczna skóra opracowana przez zespół SmartCore jest wykonana z materiałów bezpiecznych dla organizmu i może z dużą dokładnością wyczuwać wiele rzeczy jednocześnie”, podkreśla Coclite. Ludzka skóra potrafi wyczuć obiekty, których minimalny rozmiar wynosi 1 mm2, natomiast badanie sztucznej skóry SmartCore wykazało, że może ona reagować na obszary o powierzchni zaledwie 0,25 mm2. Co ważne, SmartCore jest pierwszą sztuczną skórą, w przypadku której udało się wykazać wrażliwość na trzy bodźce jednocześnie: ciśnienie, temperaturę i wilgotność. Dzięki temu dostarcza ona zintegrowanych informacji o środowisku zewnętrznym, co upodabnia ją do ludzkiej skóry.
Dostarczanie leków przez sztuczną skórę
Kolejnym krokiem będzie stworzenie systemu bezprzewodowego, który umożliwi wykrywanie sygnałów elektrycznych pochodzących z matrycy czujników rdzeń–powłoka, a także opracowanie prototypu urządzenia w rzeczywistej skali, które zostanie przekazane do praktycznego zastosowania. Kolejnym bardzo ważnym aspektem branym pod uwagę w badaniach nad sztuczną skórą jest funkcja dostarczania leków z możliwością kontroli kinetyki. W przypadku rozwiązania SmartCore substancje lecznicze mogą być umieszczane w inteligentnych polimerach i uwalniane w wyniku rozszerzania się polimerów pod wpływem temperatury i wilgotności. Osiągnięcie tego stopnia zaawansowania umożliwiłoby dostarczanie leków na żądanie organizmu, na przykład w odpowiedzi na gorączkę lub w trakcie zakażenia.
Słowa kluczowe
SmartCore, sztuczna skóra, temperatura, wilgotność, polimer, piezoelektryk, czujnik, tlenek cynku, nanostruktura
