Onzichtbare, milieuvriendelijke, op de huid gemonteerde sensoren geïnspireerd door Spider Silk

Andrew Corselli

Onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om adaptieve en milieuvriendelijke sensoren te maken die direct en onmerkbaar kunnen worden geprint op een breed scala aan biologische oppervlakken, of dat nu een vinger of een bloemblaadje is.

De methode, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Cambridge, is geïnspireerd op spinnenzijde, dat zich aan allerlei oppervlakken kan aanpassen en hechten. Deze ‘spinzijden’ bevatten ook bio-elektronica, zodat verschillende detectiemogelijkheden aan het ‘web’ kunnen worden toegevoegd.

“Een van de grootste uitdagingen was om uit de bestaande fabricagemethoden te stappen en een ronddraaiend mechanisme te bedenken om de vezelsensoren te produceren”, vertelde onderzoeksleider en professor Yan Yan Shery Huang aan Tech Briefs in een exclusief interview.

De vezels, minstens 50 keer kleiner dan een mensenhaar, zijn zo licht dat de onderzoekers ze rechtstreeks op de donzige zaadkop van een paardenbloem hebben geprint zonder de structuur ervan te laten instorten. Wanneer ze op de menselijke huid worden afgedrukt, passen de vezelsensoren zich aan de huid aan en stellen de zweetporiën bloot, zodat de drager hun aanwezigheid niet detecteert. Tests van de vezels die op een menselijke vinger zijn gedrukt, suggereren dat ze kunnen worden gebruikt als continue gezondheidsmonitors.

“Het oorspronkelijke idee was een beetje geïnspireerd door de combinatie van elektronische huiden en spinnenzijde”, voegde Huang eraan toe.

Deze afvalarme en emissiearme methode voor het verbeteren van levende structuren zou op een groot aantal terreinen kunnen worden gebruikt, van gezondheidszorg en virtual reality tot elektronisch textiel en milieumonitoring. De resultaten worden gerapporteerd in de Nature Electronics   .

“Eerst wordt er een waterige oplossing gemaakt die bestaat uit geleidende deeltjes, hyaluronzuur en een polymeerbindmiddel”, legt Huang uit over het proces. "Deze oplossing wordt vervolgens in de punt van een spuit gevoerd, waar aan de punt een kleine hangende druppel wordt gecreëerd. Een roterende arm komt vervolgens in contact met de hangende druppel, waardoor de druppel wordt uitgerekt tot een sensorvezel."

Hoewel de menselijke huid opmerkelijk gevoelig is, kan het uitbreiden ervan met elektronische sensoren de manier waarop we omgaan met de wereld om ons heen fundamenteel veranderen. Sensoren die rechtstreeks op de huid worden geprint, kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt voor continue gezondheidsmonitoring, voor het begrijpen van huidsensaties, of kunnen het gevoel van ‘realiteit’ bij gaming of virtual reality-toepassingen verbeteren.

Hoewel draagbare technologieën met ingebouwde sensoren, zoals smartwatches, overal verkrijgbaar zijn, kunnen deze apparaten ongemakkelijk en opdringerig zijn en de intrinsieke sensaties van de huid belemmeren.

Er zijn meerdere methoden om draagbare sensoren te maken, maar deze hebben allemaal nadelen. Flexibele elektronica wordt bijvoorbeeld normaal gesproken gedrukt op plasticfolie die geen gas of vocht doorlaat, dus het is alsof je je huid in huishoudfolie wikkelt. Andere onderzoekers hebben onlangs flexibele elektronica ontwikkeld die gasdoorlatend is, zoals kunstmatige huiden, maar deze interfereren nog steeds met het normale gevoel en zijn afhankelijk van energie- en afvalintensieve productietechnieken.

3D-printen is een andere potentiële route voor bio-elektronica, omdat het minder verspillend is dan andere productiemethoden, maar leidt tot dikkere apparaten die het normale gedrag kunnen verstoren. Het ronddraaien van elektronische vezels resulteert in apparaten die voor de gebruiker niet waarneembaar zijn, maar geen hoge mate van gevoeligheid of verfijning hebben, en die moeilijk over te brengen zijn naar het object in kwestie.

Nu heeft het door Cambridge geleide team een nieuwe manier ontwikkeld om hoogwaardige bio-elektronica te maken die kan worden aangepast aan een breed scala aan biologische oppervlakken, van een vingertop tot de donzige zaadkop van een paardenbloem, door ze rechtstreeks op dat oppervlak te printen. Hun techniek is gedeeltelijk geïnspireerd op spinnen, die met minimaal materiaal verfijnde en sterke webstructuren creëren die zijn aangepast aan hun omgeving.

De onderzoekers sponnen hun bio-elektronische ‘spinnenzijde’ uit PEDOT:PSS (een biocompatibel geleidend polymeer), hyaluronzuur en polyethyleenoxide. De hoogwaardige vezels werden geproduceerd uit een oplossing op waterbasis bij kamertemperatuur, waardoor de onderzoekers de ‘spinbaarheid’ van de vezels konden controleren. De onderzoekers ontwierpen vervolgens een orbitaal draaiende aanpak om de vezels te laten veranderen in levende oppervlakken, zelfs tot aan microstructuren zoals vingerafdrukken.

Tests van de bio-elektronische vezels, op oppervlakken zoals menselijke vingers en paardenbloemzaadkoppen, hebben aangetoond dat ze sensorprestaties van hoge kwaliteit leveren, terwijl ze onmerkbaar zijn voor de gastheer.

“De onmiddellijke volgende stap is het opstellen van toepassingsgebaseerde scenario’s, om te bepalen welk deel van het sensorsysteem gemaakt moet worden met onmerkbare vezels, en de rest bestaande microgefabriceerde apparaten/e-textiel kan gebruiken,” merkte Huang op.