วัสดุใหม่ที่ออกแบบโดยนักวิจัยจากคณะวิทยาศาสตร์ประยุกต์และวิศวกรรมศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยโตรอนโต ผสมผสานความยืดหยุ่นของผิวหนังมนุษย์เข้ากับการนำไฟฟ้าที่ดีขึ้นและความทนทานต่ออุณหภูมิที่ต่ำถึง -93 องศาเซลเซียส
สารนี้รู้จักกันในชื่อผิวไอออนิกหรือ iSkin สามารถปรับปรุงเทคโนโลยีได้หลากหลาย ตั้งแต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้ไปจนถึงหุ่นยนต์แบบนิ่ม สารซึ่งเป็นของตระกูลของวัสดุที่เรียกว่าไฮโดรเจล
"Hydrogels เป็นพอลิเมอร์แบบเชื่อมขวางที่สามารถกักเก็บน้ำไว้ได้มากภายในโครงสร้างทางเคมี" Binbin Ying ซึ่งขณะนี้เสร็จสิ้นการทำงานหลังปริญญาเอกที่ MIT แต่เป็นผู้นำการออกแบบวัสดุในขณะที่ศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่ McGill University กล่าว และทำงานพร้อมกันเป็นนักศึกษาปริญญาเอกเยี่ยมเยียนในห้องทดลองของศาสตราจารย์ Xinyu Liu แห่ง U of T Engineering
“เนื้อเยื่อจำนวนมากในร่างกายของเราเป็นไฮโดรเจล ดังนั้นจึงมักใช้ในการใช้งานที่ความเข้ากันได้ทางชีวภาพมีความสำคัญ เช่น เครื่องสำอางหรือวิศวกรรมเนื้อเยื่อ แต่ถ้าเราต้องการใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่อ่อนนุ่ม ยืดหยุ่น หรือสวมใส่ได้ เราจำเป็นต้องเพิ่มฟังก์ชันการทำงานใหม่ เช่น การยืดตัวทางกลและการนำไฟฟ้า”
ปีที่แล้ว Ying และ Liu ได้เปิดตัว iSkin เวอร์ชันก่อนหน้าซึ่งแสดงความสามารถบางอย่าง: ขับเคลื่อนด้วยตัวเอง ปลอดสารพิษ และสามารถขยายได้ถึง 400% ของขนาดดั้งเดิม
สิ่งสำคัญที่สุดคือ การดัดวัสดุทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงตามสัดส่วนของการนำไฟฟ้า ทำให้สามารถแปลงการเคลื่อนไหวทางกายภาพเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่คล้ายคลึงกัน
"นักกายภาพบำบัดสามารถติดไว้ที่หัวเข่าหรือข้อศอกของคุณเพื่อวัดว่าข้อต่อของคุณเคลื่อนไหวเมื่อใดและโดยเท่าใด" หลิวกล่าว “เรายังเคลือบมันไว้บนถุงมือ ซึ่งช่วยให้เราสามารถวัดและติดตามการเคลื่อนไหวของมือ ซึ่งในทางกลับกัน สามารถใช้ในการควบคุมหุ่นยนต์ได้ เป็นวิธีที่หลากหลายมากในการอำนวยความสะดวกในการโต้ตอบระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร”
ด้วยการสนับสนุนจากนักศึกษาระดับปริญญาตรี Ryan Chen, Runze Zuo และผู้สมัครระดับปริญญาเอก Zhanfeng Zhou นักวิจัยกำลังสำรวจการใช้งาน iSkin เพิ่มเติม ตัวอย่างเช่น การเพิ่มจุดปะของวัสดุลงในกริปเปอร์แบบกลไกจะเป็นชุดของสัญญาณตอบรับที่มีลักษณะเฉพาะสำหรับแต่ละรายการที่จับ การวิเคราะห์การรวมกันของสัญญาณจะทำให้หุ่นยนต์ "รู้สึก" ว่ากำลังรับอะไรอยู่ เมื่อใช้ร่วมกับอัลกอริธึมปัญญาประดิษฐ์ หุ่นยนต์ยังสามารถเรียนรู้ที่จะแยกแยะระหว่างสิ่งของที่แข็งกับอ่อน กลมเทียบกับลูกบาศก์ ฯลฯ และจัดเรียงอย่างเหมาะสม
จนถึงขณะนี้ iSkin ประสบกับข้อเสียเปรียบที่พบได้ทั่วไปในไฮโดรเจลทั้งหมด: เมื่อน้ำที่อยู่ภายในกลายเป็นน้ำแข็ง ผลึกน้ำแข็งที่เกิดขึ้นสามารถสร้างความเสียหายร้ายแรงต่อเมทริกซ์โพลีเมอร์ที่ซับซ้อนได้ อากาศที่เย็นและแห้งยังสามารถดูดน้ำของเหลวที่เหลืออยู่ออกจากไฮโดรเจลได้
หญิงและสมาชิกในทีมแก้ปัญหาด้วยการเติมกลีเซอรอล ซึ่งเป็นสารเคมีที่ไม่เป็นพิษซึ่งมักใช้ในทุกอย่างตั้งแต่อาหารไปจนถึงเจลแต่งผม หลังจากทดสอบสูตรที่เป็นไปได้หลายร้อยสูตรอย่างรอบคอบแล้ว พวกเขาได้พัฒนาสูตร iSkin ใหม่ที่เพิ่มความทนทานต่อความเย็นโดยไม่สูญเสียคุณสมบัติที่มีประโยชน์อื่นๆ ของวัสดุ
เป็นโบนัสเพิ่มเติม สูตรใหม่นี้ช่วยให้ไฮโดรเจลสามารถยึดติดกับผิวหนัง เสื้อผ้า และวัสดุอื่นๆ ได้ง่ายขึ้น
“เราติดไว้ที่ด้านนอกของเสื้อแจ็คเก็ตแล้วเดินออกไปในฤดูหนาวของโตรอนโต ซึ่งอุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ 10 องศา” Ying กล่าว "เราสามารถทำการวัดแบบเดียวกับที่เราทำในห้องปฏิบัติการ"
ความทนทานต่อความเย็นและความเหนียวที่ได้รับการปรับปรุงช่วยเพิ่มรายการการใช้งานที่เป็นไปได้สำหรับวัสดุ ตัวอย่างเช่น ขณะนี้เครื่องคัดแยกกริปเปอร์แบบกลไกสามารถทำงานในห้องเก็บของที่มีอุณหภูมิต่ำ ซึ่งมนุษย์จะไม่สะดวกในการทำงาน
ทีมงานยังจินตนาการถึงความเป็นไปได้อื่นๆ รวมถึง soft หุ่นยนต์ ออกแบบมาเพื่อปีนป่ายเหนือภูมิประเทศที่ขรุขระในสภาพแวดล้อมแบบอาร์กติก ในอนาคต พวกเขาวางแผนที่จะพัฒนาวัสดุต่อไปและอาจย่อให้เล็กลง