Een nieuw materiaal, ontworpen door onderzoekers van de faculteit Applied Science & Engineering van de Universiteit van Toronto, combineert de flexibiliteit van de menselijke huid met verbeterde geleidbaarheid en tolerantie voor temperaturen tot -93 C.
De stof, bekend als ionische huid of iSkin, zou een breed scala aan technologieën kunnen verbeteren - van draagbare elektronica tot zachte robotica. De stof, die behoort tot een familie van materialen die hydrogels worden genoemd.
"Hydrogels zijn verknoopte polymeren die in staat zijn veel water vast te houden in hun chemische structuren", zegt Binbin Ying, die nu postdoctoraal werk aan het MIT afrondt, maar het ontwerp van het materiaal leidde terwijl hij afstudeerde aan de McGill University. en tegelijkertijd werkzaam als gastdocent in het lab van U of T Engineering Professor Xinyu Liu.
"Veel van de weefsels in ons eigen lichaam zijn hydrogels, dus ze worden vaak gebruikt in toepassingen waar biocompatibiliteit belangrijk is, zoals cosmetica of tissue engineering. Maar als we ze willen gebruiken in zachte, flexibele of draagbare elektronica, moeten we nieuwe functionaliteiten toevoegen, zoals mechanische rekbaarheid en elektrische geleidbaarheid.”
Vorig jaar onthulden Ying en Liu een eerdere versie van iSkin die enkele van zijn mogelijkheden liet zien: het is zelfaangedreven, niet-toxisch en kan tot 400 procent van zijn oorspronkelijke grootte worden uitgerekt.
Het belangrijkste is dat het buigen van het materiaal een proportionele verandering in de geleidbaarheid veroorzaakt. Hierdoor kan hij fysieke beweging omzetten in een analoog elektrisch signaal.
"Een fysiotherapeut kan het op je knie of elleboog plakken om te meten wanneer en hoeveel je gewricht beweegt", zegt Liu. “We hebben het ook op een handschoen gecoat, waardoor we handbewegingen kunnen meten en volgen, die op hun beurt kunnen worden gebruikt om een robot te besturen. Het is een zeer veelzijdige manier om allerlei mens-machine-interacties mogelijk te maken.”
Met bijdragen van niet-gegradueerde studenten Ryan Chen, Runze Zuo en promovendus Zhanfeng Zhou onderzoeken de onderzoekers verdere toepassingen van iSkin. Als u bijvoorbeeld stukken materiaal aan een mechanische grijper toevoegt, krijgt u een set feedbacksignalen die uniek is voor elk item dat wordt gegrepen. Door de combinaties van signalen te analyseren, kan de robot vervolgens 'voelen' wat hij oppikt. In combinatie met kunstmatige-intelligentiealgoritmen kan de robot zelfs leren onderscheid te maken tussen items die hard en zacht zijn, rond of kubusvormig, enz. - en ze op de juiste manier sorteren.
Tot nu toe had iSkin een nadeel dat alle hydrogels gemeen hebben: wanneer het water erin bevriest, kunnen de resulterende ijskristallen ernstige schade toebrengen aan de complexe polymeermatrix. Koele, droge lucht kan ook het resterende vloeibare water uit de hydrogel zuigen.
Ying en zijn teamleden hebben het probleem aangepakt door glycerol toe te voegen, een niet-giftige chemische stof die vaak wordt gebruikt in alles, van voedsel tot haargel. Na zorgvuldig honderden mogelijke recepten te hebben getest, ontwikkelden ze een nieuwe iSkin-formule die de koudetolerantie verhoogt zonder de andere nuttige eigenschappen van het materiaal op te offeren.
Als een toegevoegde bonus zorgt de nieuwe formulering ervoor dat de hydrogel nog gemakkelijker hecht aan zowel huid, kleding en andere materialen.
"We plakten het aan de buitenkant van een jas en liepen een winter in Toronto in, waar het 10 graden onder nul was", zegt Ying. “We konden dezelfde soort metingen doen als in het lab.”
Koudetolerantie en verbeterde kleverigheid vergroten de lijst met mogelijke toepassingen voor het materiaal verder. De mechanische sorteergrijper zou nu bijvoorbeeld kunnen werken in een opslagfaciliteit bij lage temperatuur waar het voor een mens oncomfortabel zou zijn om te werken.
Het team ziet ook andere mogelijkheden, waaronder soft robots ontworpen om over ruw terrein te klauteren in arctische omgevingen. In de toekomst zijn ze van plan het materiaal verder te ontwikkelen en mogelijk te verkleinen.