Ett team av forskare från National University of Singapore (NUS) har hämtat inspiration från ryggradslösa undervattensdjur som maneter för att skapa en elektronisk hud med liknande funktionalitet.

Precis som en manet, den elektroniska huden är genomskinlig, töjbar, beröringskänslig, och självläkning i vattenmiljöer, och kan användas i allt från vattentåliga pekskärmar till vattenlevande mjuka robotar.

Biträdande professor Benjamin Tee och hans team från institutionen för materialvetenskap och teknik vid NUS tekniska fakulteten utvecklade materialet, tillsammans med medarbetare från Tsinghua University och University of California Riverside.

Teamet på åtta forskare ägnade drygt ett år åt att utveckla materialet, och dess uppfinning rapporterades först i tidskriften Naturelektronik den 15 februari 2019.

Transparenta och vattentäta självläkande material för breda applikationer

Asst Prof Tee har arbetat med elektroniska skinn i många år och var en del av teamet som utvecklade de första självläkande elektroniska hudsensorerna någonsin 2012.

Hans erfarenhet inom detta forskningsområde ledde honom till att identifiera viktiga hinder som självläkande elektroniska skinn ännu inte har övervunnit. "En av utmaningarna med många självläkande material idag är att de inte är transparenta och att de inte fungerar effektivt när de är våta, "Dessa nackdelar gör dem mindre användbara för elektroniska applikationer som pekskärmar som ofta måste användas i våta väderförhållanden."

Han fortsatte, "Med denna idé i åtanke, vi började titta på maneter – de är genomskinliga, och kunna känna av den våta miljön. Så, vi undrade hur vi kunde göra ett konstgjort material som kunde efterlikna maneternas vattentåliga natur och ändå vara beröringskänsligt."

De lyckades med detta genom att skapa en gel bestående av en fluorkolbaserad polymer med en fluorrik jonisk vätska. När de kombineras, polymernätverket interagerar med den joniska vätskan via mycket reversibla jon-dipol-interaktioner, som gör att den kan självläka.

Utvecklar fördelarna med denna konfiguration, Asst Prof Tee förklarade, "De flesta ledande polymergeler som hydrogeler skulle svälla när de sänks ned i vatten eller torka ut med tiden i luft. Det som gör vårt material annorlunda är att det kan behålla sin form i både våta och torra omgivningar. Det fungerar bra i havsvatten och även i sura eller alkaliska miljöer."

Nästa generation av mjuka robotar

Den elektroniska huden skapas genom att skriva ut det nya materialet i elektroniska kretsar. Som ett mjukt och töjbart material, dess elektriska egenskaper förändras vid beröring, pressad eller spänd. "Vi kan sedan mäta denna förändring, och konvertera den till läsbara elektriska signaler för att skapa ett stort antal olika sensorapplikationer, ", tillade Asst Prof Tee.

"3D-utskrivbarheten av vårt material visar också potential för att skapa helt transparenta kretskort som skulle kunna användas i robotapplikationer. Vi hoppas att detta material kan användas för att utveckla olika applikationer i nya typer av mjuka robotar, " tillade Asst Prof Tee, som också är från NUS institution för elektro- och datateknik, och Biomedical Institute for Global Health Research and Technology (BIGHEART) vid NUS.

Mjuka robotar, och mjuk elektronik i allmänhet, syftar till att efterlikna biologiska vävnader för att göra dem mer mekaniskt kompatibla för interaktioner mellan människa och maskin. Förutom konventionella mjuka robotapplikationer, det här nya materialets vattentäta teknologi möjliggör design av amfibierobotar och vattentät elektronik.

En ytterligare fördel med denna självläkande elektroniska hud är potentialen den har att minska avfallet. Asst Prof Tee förklarade, "Miljontals ton elektroniskt avfall från trasiga mobiltelefoner, tabletter, etc. genereras globalt varje år. Vi hoppas kunna skapa en framtid där elektroniska enheter tillverkade av intelligenta material kan utföra självreparationsfunktioner för att minska mängden elektroniskt avfall i världen."

Asst Prof Tee och hans team kommer att fortsätta sin forskning och hoppas kunna utforska ytterligare möjligheter med detta material i framtiden. Han sa, "För närvarande, vi använder materialets omfattande egenskaper för att tillverka nya optoelektroniska enheter, som skulle kunna användas i många nya kommunikationsgränssnitt mellan människa och maskin."