Ein neues Material, das von Forschern der Fakultät für angewandte Wissenschaft und Technik der University of Toronto entwickelt wurde, kombiniert die Flexibilität der menschlichen Haut mit verbesserter Leitfähigkeit und Temperaturtoleranz von bis zu -93 °C.
Die als ionische Haut oder iSkin bekannte Substanz könnte eine Vielzahl von Technologien verbessern – von tragbarer Elektronik bis hin zu weicher Robotik. Die Substanz, die zu einer Familie von Materialien gehört, die Hydrogele genannt werden.
„Hydrogele sind vernetzte Polymere, die viel Wasser in ihren chemischen Strukturen halten können“, sagt Binbin Ying, der derzeit am MIT promoviert, aber während seines Doktoratsstudiums an der McGill University das Design des Materials leitete. und gleichzeitig als Gastdoktorand im Labor von U of T Engineering Professor Xinyu Liu tätig.
„Viele der Gewebe in unserem eigenen Körper sind Hydrogele, daher werden sie häufig in Anwendungen verwendet, bei denen Biokompatibilität wichtig ist, wie beispielsweise in der Kosmetik oder im Tissue Engineering. Aber wenn wir sie in weicher, flexibler oder tragbarer Elektronik einsetzen wollen, müssen wir neue Funktionalitäten wie mechanische Dehnbarkeit und elektrische Leitfähigkeit hinzufügen.“
Letztes Jahr stellten Ying und Liu eine frühere Version von iSkin vor, die einige seiner Fähigkeiten unter Beweis stellte: Es ist selbstangetrieben, ungiftig und kann sich auf 400 Prozent seiner ursprünglichen Größe ausdehnen.
Am wichtigsten ist, dass das Biegen des Materials eine proportionale Änderung seiner Leitfähigkeit bewirkt. Dadurch kann er physikalische Bewegungen in ein analoges elektrisches Signal umwandeln.
„Ein Physiotherapeut könnte es auf Ihr Knie oder Ihren Ellbogen kleben, um zu messen, wann und um wie viel sich Ihr Gelenk bewegt“, sagt Liu. „Wir haben damit auch einen Handschuh beschichtet, sodass wir Handbewegungen messen und verfolgen können, die wiederum zur Steuerung eines Roboters verwendet werden können. Es ist eine sehr vielseitige Möglichkeit, alle Arten von Mensch-Maschine-Interaktionen zu ermöglichen.“
Mit Beiträgen der Bachelor-Studenten Ryan Chen, Runze Zuo und des Doktoranden Zhanfeng Zhou erforschen die Forscher weitere Anwendungen von iSkin. Beispielsweise liefert das Hinzufügen von Materialstücken zu einem mechanischen Greifer einen Satz von Rückkopplungssignalen, die für jeden zu greifenden Gegenstand einzigartig sind. Durch die Analyse der Signalkombinationen kann der Roboter dann „fühlen“, was er aufnimmt. In Kombination mit Algorithmen der künstlichen Intelligenz kann der Roboter sogar lernen, zwischen harten und weichen Gegenständen, runden oder kubischen usw. zu unterscheiden – und sie entsprechend zu sortieren.
Bisher hatte iSkin einen Nachteil, den alle Hydrogele gemeinsam hatten: Wenn das Wasser darin gefriert, können die entstehenden Eiskristalle die komplexe Polymermatrix ernsthaft schädigen. Kühle, trockene Luft kann auch das restliche flüssige Wasser aus dem Hydrogel saugen.
Ying und seine Teammitglieder gingen das Problem an, indem sie Glycerin hinzufügten, eine ungiftige Chemikalie, die häufig in Lebensmitteln bis hin zu Haargelen verwendet wird. Nachdem sie Hunderte von möglichen Rezepturen sorgfältig getestet hatten, entwickelten sie eine neue iSkin-Formulierung, die die Kältetoleranz erhöht, ohne die anderen nützlichen Eigenschaften des Materials zu beeinträchtigen.
Als zusätzlichen Bonus ermöglicht die neue Formulierung, dass das Hydrogel noch leichter auf Haut, Kleidung und anderen Materialien haftet.
„Wir klebten es außen an eine Jacke und gingen in einen Winter in Toronto, wo es 10 Grad unter Null war“, sagt Ying. „Wir konnten die gleichen Messungen durchführen wie im Labor.“
Kältetoleranz und verbesserte Klebrigkeit erweitern die Liste der möglichen Anwendungen des Materials weiter. Zum Beispiel könnte der mechanische Sortiergreifer jetzt in einem Tieftemperaturlager arbeiten, wo es für einen Menschen unbequem wäre, zu arbeiten.
Das Team sieht auch andere Möglichkeiten, darunter weiche Roboter entwickelt, um in arktischen Umgebungen über unwegsames Gelände zu klettern. In Zukunft wollen sie das Material weiterentwickeln und möglicherweise miniaturisieren.