Onzichtbare, eco-vriendelijke op-huid sensoren geïnspireerd op spinnewijze

Andrew Corselli

Sensoren geprint op menselijke vingers. (Afbeelding: Huang Lab, Cambridge)

Onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om adaptieve en eco-vriendelijke sensoren te maken die direct en onwaarneembaar op een breed scala aan biologische oppervlakken geprint kunnen worden, of dat nu een vinger is of een bloemblader.

De methode, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Cambridge, haalt inspiratie uit spinnewijze, die kan conformeren en plakken aan een reeks oppervlakken. Deze "spinnewijzen" incorporeren ook bioelectronica, zodat verschillende sensormogelijkheden aan het "web" toegevoegd kunnen worden.

"Een van de grootste uitdagingen was om uit de bestaande fabricagemethoden te stappen en een spinmechanisme te bedenken om de vezelsensoren te produceren," vertelde Research Lead en Professor Yan Yan Shery Huang Tech Briefs in een exclusief interview.

De vezels, ten minste 50 keer kleiner dan een menselijk haar, zijn zo licht dat de onderzoekers ze direct op de pluizige zaadkop van een madeliefje printten zonder de structuur in te laten zakken. Wanneer geprint op menselijke huid, conformeren de vezelsensoren aan de huid en blootleggen de zweetporiën, zodat de drager hun aanwezigheid niet detecteert. Testen van de vezels geprint op een menselijke vinger suggereren dat ze gebruikt kunnen worden als continue gezondheidsmonitors.

"Het initiële idee was een beetje geïnspireerd door de combinatie van elektronische huid en spinnewijzen," voegde Huang toe.

Deze low-waste en low-emissie methode voor het augmenteren van levende structuren kan gebruikt worden in een reeks velden, van gezondheidszorg en virtuele realiteit tot elektronische textielen en milieumonitoring. De resultaten worden gerapporteerd in Nature Electronics.

"Eerst wordt een waterige oplossing bestaande uit geleidende deeltjes, hyaluronzuur, en een polymer binder gemaakt," legde Huang uit van het proces. "Deze oplossing wordt dan in een spuitpunt gevoerd, waar een minuscule hangende druppel aan de punt gecreëerd wordt. Een rotterende arm komt dan in contact met de hangende druppel, wat de druppel uitrekt tot een vezelsensor."

Hoewel menselijke huid opmerkelijk gevoelig is, kan het augmenteren ervan met elektronische sensoren fundamenteel veranderen hoe we interageren met de wereld om ons heen. Bijvoorbeeld, sensoren direct op de huid geprint kunnen gebruikt worden voor continue gezondheidsmonitoring, voor het begrijpen van huidgevoelens, of kunnen de sensatie van 'realiteit' in gaming of virtuele realiteit toepassingen verbeteren.

Terwijl draagbare technologieën met ingebouwde sensoren, zoals slimme horloges, wijd beschikbaar zijn, kunnen deze apparaten oncomfortabel, obstructief zijn en de intrinsieke gevoelens van de huid belemmeren.

Er zijn meerdere methoden voor het maken van draagbare sensoren, maar deze hebben allemaal nadelen. Flexibele elektronica, bijvoorbeeld, worden normaal op plastic films geprint die geen gas of vocht doorlaten, dus het zou alsof je je huid in clingfilm wikkelt. Andere onderzoekers hebben onlangs flexibele elektronica ontwikkeld die gas-doorlatend zijn, zoals kunstmatige huiden, maar deze storen nog steeds normale sensatie, en zijn afhankelijk van energie- en afval-intensieve fabricagetechnieken.

3D-printen is een andere potentiële route voor bioelectronica aangezien het minder afvalproducerend is dan andere productiemethoden, maar leidt tot dikke apparaten die kunnen interfereren met normaal gedrag. Spinnen van elektronische vezels resulteert in apparaten die onwaarneembaar zijn voor de gebruiker, maar geen hoge mate van gevoeligheid of sophisticated hebben, en ze zijn moeilijk te transfereren naar het object in kwestie.

Nu heeft het door Cambridge geleide team een nieuwe manier ontwikkeld om hoog-presterende bioelectronica te maken die gecustomiseerd kan worden aan een breed scala aan biologische oppervlakken, van een vingertop tot de pluizige zaadkop van een madeliefje, door ze direct op dat oppervlak te printen. Hun techniek haalt inspiratie deels uit spinnen, die gesofisticeerde en sterke webstructuren creëren aangepast aan hun omgeving, met minimaal materiaal.

De onderzoekers spinnen hun bioelectronische 'spinnewijze' van PEDOT:PSS (een biocompatibel geleidend polymer), hyaluronzuur, en polyethyleenoxide. De hoge-prestatie vezels werden geproduceerd uit een water-gebaseerde oplossing bij kamertemperatuur, wat de onderzoekers in staat stelde de 'spinbaarheid' van de vezels te controleren. De onderzoekers ontwierpen dan een orbitale spinbenadering om de vezels te laten morphen naar levende oppervlakken, zelfs tot microstructuren zoals vingerafdrukken.

Testen van de bioelectronische vezels, op oppervlakken inclusief menselijke vingers en madeliefjezaadkoppen, toonden aan dat ze hoge-kwaliteit sensorprestaties leverden terwijl ze onwaarneembaar waren voor de gastheer.

"De directe volgende stap is om toepassingsgebaseerde scenario's vast te leggen, om te bepalen welk deel van het sensorsysteem gemaakt moet worden met onwaarneembare vezels, en de rest kan bestaande gemicrofabriceerde apparaten/e-textielen gebruiken," merkte Huang op.