Искусственная кожа | ГК ТРИММ
Искусственная кожа
15 Сентября 2022

В последние годы робототехники со всего мира пытаются создать искусственные системы, которые напоминают части человеческого тела и воспроизводят их функции. Поскольку человеческая кожа представляет собой очень сложную систему, имитировать все ее функции чрезвычайно сложно. Например, кожа человека может ощущать различные изменения окружающей среды, включая давление, деформацию своей поверхности и колебания температуры, просто улавливая электронные сигналы на основе ионов.

С быстрым развитием искусственного интеллекта и мягкой робототехники инженеры пытаются покрыть роботов-гуманоидов искусственной кожей, которая воспроизводит все механические и сенсорные свойства человеческой, чтобы они воспринимали постоянно меняющуюся внешнюю среду, как и мы.

Исследователи из Университета Дунхуа в Китае и Юлихского центра нейтронных наук (JCNS) в Германии недавно разработали новую искусственную ионную кожу. Вдохновленные репарируемой нановолокнистой структурой кожи, инженеры создали искусственную ионную кожу, внедрив самовосстанавливающийся эластичный наносетчатый каркас в другую самовосстанавливающуюся мягкую ионную матрицу. Нанометку получили путем электропрядения синтетического полиуретана, который самовосстанавливается за счет обмена дисульфидными связями при комнатной температуре. Ионную матрицу изготовили, выпаривая водный раствор полиакриламида, гиалуроновой кислоты и CaCl₂ (хлорида кальция). Они воспроизводят функции коллагена и эластина (белок соединительной ткани) соответственно. В результате получился мягкий материал, который становится твердым при растяжении. Это свойство известно как жесткость при деформации. Кроме того, новая искусственная кожа самостоятельно восстанавливается после повреждения, устойчива к усталости и быстро реагирует на деформации формы, что особенно важно для сенсорных приложений.

Эксперименты показали, что кожу не повредили даже 10 000 циклов растяжения. Расчетный порог усталости гибридной ионной кожи составляет ~2950 Дж м-2, что почти в два раза выше, чем у человеческих мышц (1000 Дж м-2). Кроме того, индуцированное натяжением нановолокна влагопроницаемое дыхание ионной матрицы приводит к рекордно высокому коэффициенту тензочувствительности 66,8, что намного превышает предыдущие растяжимые ионные проводники.

Система, похожая на кожу, созданная этой командой исследователей, является одной из первых искусственных кож, которые не только мягки и эластичны, но также надежно самовосстанавливаются и устойчивы к усталости. В будущем конструкция, предложенная Саном и его коллегами, может быть использована для создания других прочных и ионопроводящих структур на основе других комбинаций материалов.

Человеческая кожа хорошо сочетает в себе компромисс между заживляемостью и сопротивлением усталости, происходящим из ее богатой ионами и иерархически организованной нановолокнистой, но поддающейся восстановлению структуры, определяемой жестким каркасом коллагеновых фибрилл, встроенным в мягкую переплетенную эластиновую матрицу (рис.).

Эти две фазы не только заживают с помощью дермальных фибробластов при ранении, но и придают очень высокую прочность на разрыв человеческой коже, закрепляя кончик трещины на твердых нанофибриллах коллагена. Следовательно, человеческая кожа может выдерживать слезоточивые переломы, а также повторяющиеся деформации, такие как мышцы (Γ0~1000 Дж м-2) в течение одного миллиона циклов в год без усталости 22,23. Более того, нановолокнистая структура делает человеческую кожу одновременно мягкой и упругой, т.е. сеть мягких эластинов обеспечивает структурную податливость, а жесткие коллагеновые фибриллы противостоят большим деформациям, которые могут угрожать целостности ткани, что приводит к уникальному экспоненциальному усилению жесткости с J-образным поведением напряжение-деформация 24.

213212132.jpg

A Схематическая ионно-обогащенная нановолокнистая композитная структура и механизм заживления ран кожи человека. И коллагеновые фибриллы, и эластиновая матрица излечимы с помощью фибробластов.

B Схема структурных изменений самовосстанавливающейся нановолокнистой гибридной ионной кожи при обратимом растяжении. Гибридная ионная оболочка быстро становится жесткой при деформации и обладает высокой устойчивостью к усталостному разрушению благодаря механизму притупления трещин, вызванному нановолокнами.

С Схематические иллюстрации гибридной структуры и соответствующих механизмов самовосстановления наносетчатого каркаса из полиуретана и ионной матрицы.

D Натяжение нановолокна заставляет гигроскопичную ионную матрицу обратимо дышать влагой в воздухе, что приводит к значительному усилению ощущения напряжения (коэффициент манометра, GF = 66,8).

E Грубое сравнение сенсорных и механических характеристик между кожей человека и нановолокнистой гибридной ионной кожей.

Таким образом, мы сообщаем об искусственной ионизированной коже, которая напоминает или даже превосходит человеческую кожу по нескольким выделенным сенсорным / механическим свойствам (ощущение, мягкость, растяжимость, самовосстановление, повышение жесткости при напряжении, защита от усталости) (рис.1e и дополнительная таблица 1. Кроме того, гибридная ионная оболочка является прозрачной, незамерзающей, устойчивой к окружающей среде и клейкой, что еще больше наделяет ее большим потенциалом для применения в различных сценариях обнаружения.

012316565135.jpg

Супер электронно микроскопическое(СЭМ) изображение самовосстанавливающейся полиуретановой наносетки.

B Коэффициент пропускания гибридной ионной кожи, наносетки из полиуретана и ионной матрицы.

С СЭМ-изображения поперечного сечения гибридной ионизированной кожи до и после растяжения.

D Истинное напряжение-деформация и соответствующие дифференциальные кривые модуля.

EДемонстрация жесткости гибридной ионной полоски кожи (15 × 3 × 0,13 мм 3 ) при увеличении нагрузки.

F Кривые прокола сила-смещение гибридной ионной кожи (толщина ~ 130 мкм), ионной матрицы (1 мм) и коммерческой ленты VHB (Very High Bond) (0,5 мм).

G Номинальные кривые напряжения-деформации гибридных ионных оболочек без надрезов и с надрезами.

H Циклические кривые растяжения гибридной ионной кожи с надрезом при деформации 200% (вставка: образец, растянутый после 10 000-го цикла).

I Расширение трещины за цикл нагружения, d c /d N , в зависимости от скорости выделения энергии для гибридной ионной оболочки.

J Сравнение порога усталости ( 0 ) и энергии разрушения ( ) гибридной ионной кожи с ранее описанными гидрогелями и эластомерами против усталости.

K POM-изображения гибридной ионной кожи с надрезом, постепенно растянутой до деформации 400%.

Все изображения были получены при наличии тонировочной пластины 530 нм под азимутальным углом 45 o

В этой работе, имитируя излечиваемую нановолокнистую композитную структуру кожи человека, мы демонстрируем искусственную гибридную ионную кожу, встраивая случайно выровненную, высокоэнергетическую и самовосстанавливающуюся полиуретановую наносетку в мягкую надмолекулярную ионную матрицу. Такая нановолоконная структура наделяет гибридную ионную кожу непревзойденным сочетанием нескольких интригующих свойств, уникальных для кожи человека, но трудно реализуемых для ее искусственных аналогов, включая самовосстановление (эффективность ~ 85%), мягкость (модуль ~ 1,8 МПа). , адаптивное к деформации жесткость (увеличение жесткости в 37 раз), растяжимость (680%), сопротивление усталости ( Γ 0 ∼ 2950 Дж м -2 ), ионная проводимость ( ∼ 0,11 См м -1при относительной влажности 60%) и превосходное ощущение напряжения. Интересно, что реализован рекордно высокий коэффициент тензометрии 66,8, который приписывается эффекту дыхания влаги, вызванному натяжением нановолокна, гигроскопической ионной матрицы, управляемой чувствительными к воде ионными комплексообразованиями. В сочетании с прозрачностью, клейкостью и устойчивостью к окружающей среде гибридная ионная кожа демонстрирует большой потенциал в качестве высокочувствительных и долговечных датчиков для применения в носимой электронике, человеко-машинном интерфейсе и т. д. Мы ожидаем, что предложенная концепция будет легко распространена на процесс изготовления других прочных ионопроводящих материалов с различными комбинациями функций.

Источник


Запросить коммерческое предложение
Отправьте сообщение специалистам компании.