الجلد الأيوني: بشرة هندسية ذكية تحاكي القدرات الحسية للبشرة الطبيعية
أثبتت الجلود الأيونية مزايا كبيرة في الجهود المبذولة لإنشاء بشرة ذكية تتناسب مع قدرات الاستشعار في البشرة الحقيقية.
وهي تتألف من الهلاميات المائية المرنة والمتوافقة حيويًا والتي تستخدم الأيونات لنقل الشحنة الكهربائية. على عكس الجلود الذكية المكونة من البلاستيك والمعادن، فإن الهلاميات المائية ناعمة مثل الجلد الحقيقي.
يوفر هذا إحساسًا طبيعيًا للذراع الاصطناعية أو اليد الروبوتية التي تم تركيبها عليها، مما يجعلها مريحة للارتداء.
يمكن أن تولد هذه الهلاميات المائية جهدًا عند لمسها، لكن العلماء لم يفهموا بوضوح كيف – حتى ابتكر فريق من الباحثين في جامعة كولومبيا البريطانية (UBC) تجربة فريدة نُشرت في 28 أبريل 2022 في مجلة Science .
“كيف تعمل مستشعرات الهيدروجيل هي أنها تنتج الفولتية والتيارات كرد فعل على المنبهات، مثل الضغط أو اللمس – وهو ما نسميه تأثير بيزوزي .
قال المؤلف الرئيسي للدراسة يوتا دوباشي ، الذي بدأ العمل كجزء من ماجستير في الهندسة الطبية الحيوية في جامعة كولومبيا البريطانية، “لكننا لم نعرف بالضبط كيف يتم إنتاج هذه الفولتية”.
بدأ المؤلف الرئيسي للدراسة، يوتا دوباشي ، العمل كجزء من درجة الماجستير في الهندسة الطبية الحيوية في جامعة كولومبيا البريطانية. حقوق الصورة: تصوير كاي جاكوبسون / كلية العلوم التطبيقية بجامعة كولومبيا البريطانية
من خلال العمل تحت إشراف الباحث في جامعة كولومبيا البريطانية الدكتور جون مادن، ابتكر دوباشي مستشعرات هيدروجيل تحتوي على أملاح ذات أيونات موجبة وسالبة بأحجام مختلفة.
قام هو وزملاؤه في أقسام الفيزياء والكيمياء في جامعة كولومبيا البريطانية بتطبيق المجالات المغناطيسية لتتبع كيفية تحرك الأيونات بدقة عند الضغط على المستشعر.
“عندما يتم تطبيق الضغط على الجل، فإن هذا الضغط ينشر الأيونات في السائل بسرعات مختلفة، مما يؤدي إلى إنشاء إشارة كهربائية. الأيونات الموجبة، التي تميل إلى أن تكون أصغر، تتحرك أسرع من الأيونات السالبة الأكبر.
ينتج عن هذا توزيع غير متساوٍ للأيونات مما يخلق مجالًا كهربائيًا، وهو ما يجعل المستشعر البيزوزي يعمل. “
يقول الباحثون إن هذه المعرفة الجديدة تؤكد أن الهلاميات المائية تعمل بطريقة مشابهة لكيفية اكتشاف البشر للضغط، والذي يكون أيضًا من خلال تحريك الأيونات استجابة للضغط، مما يلهم التطبيقات الجديدة المحتملة للجلود الأيونية.
يستخدم الباحثون حلوى الهلام لتوضيح كيفية تحرك الأيونات في الهلاميات المائية. حقوق الصورة: تصوير كاي جاكوبسون / كلية العلوم التطبيقية بجامعة كولومبيا البريطانية
يقول الدكتور مادن، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في كلية العلوم التطبيقية بجامعة كولومبيا البريطانية: “إن التطبيق الواضح هو إنشاء أجهزة استشعار تتفاعل بشكل مباشر مع الخلايا والجهاز العصبي، نظرًا لأن الفولتية والتيارات وأوقات الاستجابة تشبه تلك الموجودة عبر أغشية الخلايا”.. “عندما نقوم بتوصيل جهاز الاستشعار الخاص بنا بالعصب، فإنه ينتج إشارة في العصب. بدوره، يقوم العصب بتنشيط تقلص العضلات “.
“يمكنك أن تتخيل ذراعًا اصطناعية مغطاة بجلد أيوني. يستشعر الجلد شيئًا ما من خلال اللمس أو الضغط، وينقل هذه المعلومات عبر الأعصاب إلى الدماغ، ثم ينشط الدماغ المحركات اللازمة لرفع الجسم أو حمله.
مع مزيد من التطوير لجلد المستشعر والواجهات مع الأعصاب، يمكن تصور هذه الواجهة الإلكترونية. “
تطبيق آخر هو مستشعر هيدروجيل ناعم يتم ارتداؤه على الجلد يمكنه مراقبة العلامات الحيوية للمريض بينما يكون غير مزعج تمامًا ويولد قوته الخاصة.
Dobashi ، الذي يكمل حاليًا درجة الدكتوراه في جامعة تورنتو، حريصًا على مواصلة العمل على التقنيات الأيونية بعد تخرجه.
“يمكننا أن نتخيل مستقبلًا حيث يتم استخدام” أيونترونيكس “الشبيهة بالهلام في عمليات زرع الجسم. يمكن زراعة المفاصل الصناعية دون خوف من الرفض داخل جسم الإنسان.
يمكن استخدام الأجهزة الأيونية كجزء من غضروف الركبة الاصطناعي، مما يضيف عنصر استشعار ذكي. قد تطلق غرسة الهلام البيزو أيونك الأدوية بناءً على مقدار الضغط الذي تشعر به، على سبيل المثال “.
وأضاف الدكتور مادن أن سوق الأسطح الذكية يقدر بنحو 4.5 مليار دولار في عام 2019 ويستمر في النمو.
“يمكن دمج الجلود الذكية في الملابس أو وضعها مباشرة على الجلد، وتعد الجلود الأيونية إحدى التقنيات التي يمكن أن تعزز هذا النمو.”
المصدر: scitechdaily
شاهد ايضا:
