Bahan baru yang direka oleh para penyelidik di Fakulti Sains Gunaan & Kejuruteraan Universiti Toronto menggabungkan fleksibiliti kulit manusia dengan kekonduksian yang lebih baik dan toleransi suhu serendah -93 C.
Dikenal sebagai kulit ionik, atau iSkin, bahan ini dapat meningkatkan pelbagai teknologi - dari elektronik yang dapat dipakai hingga robotik lembut. Bahan, yang tergolong dalam keluarga bahan yang disebut hidrogel.
"Hidrogel adalah polimer berangkai silang yang mampu menahan banyak air dalam struktur kimianya," kata Binbin Ying, yang kini menyelesaikan pekerjaan pasca doktoral di MIT tetapi mengetuai reka bentuk bahan itu ketika melanjutkan pengajian siswazah di Universiti McGill dan secara serentak bekerja sebagai pelajar PhD pelawat di makmal U of T Engineering Professor Xinyu Liu.
"Banyak tisu dalam tubuh kita adalah hidrogel, jadi ia sering digunakan dalam aplikasi di mana biokompatibilitas penting seperti kosmetik atau kejuruteraan tisu. Tetapi jika kita ingin menggunakannya dalam elektronik lembut, fleksibel atau boleh pakai, kita perlu menambah fungsi baru seperti daya regangan mekanikal dan kekonduksian elektrik. "
Tahun lalu, Ying dan Liu melancarkan lelaran iSkin sebelumnya yang menunjukkan beberapa kemampuannya: ia berkuasa sendiri, tidak beracun dan dapat mencapai 400 persen dari ukuran asalnya.
Yang paling penting, membongkok bahan membuat perubahan berkadar kekonduksiannya. Ini memungkinkan untuk menukar pergerakan fizikal menjadi isyarat elektrik analog.
"Seorang ahli fisioterapi boleh melekatkannya di lutut atau siku anda untuk mengukur kapan dan berapa banyak sendi anda bergerak," kata Liu. “Kami juga melapisi sarung tangan, memungkinkan kami mengukur dan melacak pergerakan tangan, yang pada gilirannya dapat digunakan untuk mengendalikan robot. Ini adalah kaedah yang sangat serba boleh untuk memudahkan semua jenis interaksi manusia-mesin. "
Dengan sumbangan daripada pelajar sarjana Ryan Chen, Runze Zuo dan calon PhD Zhanfeng Zhou, para penyelidik meneroka aplikasi iSkin selanjutnya. Sebagai contoh, menambahkan tampalan bahan ke gripper mekanikal memberikan satu set isyarat maklum balas yang unik bagi setiap item yang dicengkam. Menganalisis kombinasi isyarat kemudian membolehkan robot "merasakan" apa yang diambilnya. Dalam kombinasi dengan algoritma kecerdasan buatan, robot bahkan dapat belajar membezakan antara item yang keras berbanding yang lembut, bulat berbanding kubik, dan lain-lain - dan menyusunnya dengan tepat.
Hingga kini, iSkin mengalami kekurangan yang biasa berlaku pada semua hidrogel: ketika air di dalamnya membeku, kristal ais yang dihasilkan dapat menyebabkan kerosakan serius pada matriks polimer kompleks. Udara yang sejuk dan kering juga dapat menyedut sisa air cair dari hidrogel.
Ying dan ahli pasukannya menangani masalah tersebut dengan menambahkan gliserol, bahan kimia tidak beracun yang biasa digunakan dalam semua perkara, mulai dari makanan hingga gel rambut. Setelah menguji beratus-ratus resipi yang mungkin dengan teliti, mereka mengembangkan formulasi iSkin baru yang meningkatkan toleransi sejuk tanpa mengorbankan sifat berguna bahan lain.
Sebagai bonus tambahan, formulasi baru memungkinkan hidrogel untuk lebih mudah mematuhi kulit, pakaian dan bahan lain.
"Kami meletakkannya di luar jaket dan berjalan ke musim sejuk di Toronto, di mana ia berada 10 darjah di bawah sifar," kata Ying. "Kami dapat melakukan ukuran yang sama seperti yang kami lakukan di makmal."
Toleransi sejuk dan kelengkungan yang lebih baik meningkatkan lagi senarai kemungkinan aplikasi untuk bahan tersebut. Sebagai contoh, gripper mekanikal penyortiran kini boleh beroperasi di kemudahan penyimpanan suhu rendah di mana manusia tidak selesa bekerja.
Pasukan ini juga membayangkan kemungkinan lain, termasuk lembut robot dirancang untuk memanjat kawasan yang kasar di persekitaran Artik. Di masa depan, mereka merancang untuk terus mengembangkan bahan tersebut dan berpotensi mengecilkannya.