Trötthetsfri och självläkbar hybridjonisk hud med en bioinspirerad nanofibrös struktur från äkta mänsklig hud. Kredit:Wang et al.
De senaste åren har robotiker och materialvetare över hela världen försökt skapa konstgjorda system som liknar mänskliga kroppsdelar och reproducerar deras funktioner. Dessa inkluderar konstgjorda skinn, skyddande lager som också kan förbättra avkänningsförmågan hos robotar.
Forskare vid Donghua University i Kina och Jülich Center for Neutron Science (JCNS) i Tyskland har nyligen utvecklat en ny och mycket lovande artificiell jonisk hud baserad på en självläkbar elastisk nanomesh, en sammanvävd struktur som liknar mänsklig hud. Denna konstgjorda hud, introducerad i en artikel publicerad i Nature Communications , är mjuk, trötthetsfri och självläkande.
"Som vi vet är huden det största organet i människokroppen, som fungerar som både ett skyddande lager och sensoriskt gränssnitt för att hålla vår kropp frisk och uppfattande", säger Shengtong Sun, en av forskarna som genomförde studien, till TechXplore . "Med den snabba utvecklingen av artificiell intelligens och mjuk robotik försöker forskare för närvarande att belägga humanoida robotar med en "konstgjord hud" som replikerar alla mekaniska och sensoriska egenskaper hos mänsklig hud, så att de också kan uppfatta den ständigt föränderliga yttre miljön som vi ."
Eftersom den mänskliga huden är ett mycket komplext och sofistikerat system, kan det vara extremt utmanande att efterlikna alla dess funktioner. Människans hud kan till exempel känna av en mängd olika miljöförändringar, inklusive tryck, deformation av dess yta och temperaturvariationer, helt enkelt genom att fånga upp jonbaserade elektroniska signaler.
"Människans hud känns mjuk, men den blir mycket fast när den sträcks ut," sa Sun. "Huden kan också naturligt läka sår på några dagar genom att helt reparera dess struktur och funktioner. Ännu viktigare, över cirka 1 miljon cykler av deformationer per år tillsammans med kroppsrörelser kommer hudens egenskaper inte att försämras, vilket tyder på mycket goda anti-utmattningsegenskaper. ."
Även om materialforskare nyligen har tagit fram flera konstgjorda skinn, även kallade elektroniska eller joniska skinn, kan de flesta av dessa system bara reproducera en del av hudens naturliga egenskaper. Sun och hans kollegor har försökt designa mer hudliknande och realistiska material i flera år.
"Medan vi genomförde våra studier märkte vi att huden kombinerar flera spännande egenskaper genom en hierarkisk nanofibrös struktur, som definieras av en styv kollagenfibrillställning inbäddad i den mjuka sammanvävda elastinmatrisen," sa Sun. "Dessa två faser läker inte bara med hjälp av dermala fibroblaster vid sår, utan ger också mycket hög frakturseghet till människohud genom att fästa skador på de hårda kollagennanofibrillerna."
Med inspiration från hudens naturliga struktur bestämde sig forskarna för att designa en ny konstgjord hud baserad på en självläkbar nanomesh och en jonisk matris, som kan replikera funktionerna av kollagen respektive elastin. Detta resulterade i ett hudliknande material som är mjukt men blir fast när det sträcks, en egenskap som kallas "töjningsstyvning". Dessutom kan deras konstgjorda hud självläka sig själv efter att ha blivit skadad, är motståndskraftig mot trötthet och reagerar snabbt på formdeformationer, vilket är särskilt önskvärt för avkänningsapplikationer.
"Inspirerad av hudens reparerbara nanofibrösa struktur skapade vi en artificiell jonisk hud genom att bädda in en självläkbar elastisk nanomesh-ställning i en annan självläkbar mjuk jonisk matris," sa Sun. "Nanomeshen producerades genom elektrospinning av vår syntetiska polyuretan som kan självläka genom disulfidbindningsutbyte vid rumstemperatur. Den joniska matrisen gjordes genom att förånga vattenlösningen av poly(akrylamid-koakrylsyra), hyaluronsyra och CaCl2 , som kan läka med hjälp av fukt. På grund av läkningsförmågan hos de två modermaterialen kan den hybridjoniska huden också läka skador inom en kort tidsperiod."
Den konstgjorda huden skapad av Sun och hans kollegor har en unik elastisk och nanofibrös struktur som gör den mycket motståndskraftig mot trötthet. Närmare bestämt kan dess inbäddade polyuretan-nanofibrer täcka stora kraftöverföringslängder, vilket gör sprickor trubbiga och förhindrar att de sprids vidare.
I initiala utvärderingar uppnådde det konstgjorda hudsystemet mycket lovande resultat. Teamet fann att även med en förskuren skåra på den förblev hybridjonen intakt i över 10 000 sträckcykler. Den beräknade utmattningströskeln för hybridjonisk hud är ~2 950 J m -2 , nästan två gånger högre än mänsklig muskel (1 000 J m -2 ). ).
"Mjukhet och töjbarhet är de två viktigaste mekaniska egenskaperna för hudliknande avkänningsmaterial," sa Sun. "Men konventionella materialdesigner för mjukhet och töjbarhet leder ofta till den låga robustheten, vilket är motvilligt till livslängden för joniska skinn. Vi tacklade detta problem genom att producera en hybridjonisk hud som efterliknar den reparerbara nanofibrösa strukturen hos mänsklig hud."
Det hudliknande systemet som skapats av detta team av forskare är bland de första konstgjorda hudarna som inte bara är mjuka och töjbara, utan också pålitligt självläkande och utmattningsbeständiga. I framtiden kan designen som föreslagits av Sun och hans kollegor användas för att skapa andra robusta och jonledande strukturer baserade på andra materialkombinationer.
Dessutom skulle deras konstgjorda hudsystem kunna hjälpa utvecklingen av humanoida robotar som är mer utmattningsbeständiga, presterar bättre och som inte skadas lika lätt över tiden. Även om lagets joniska hud har uppnått anmärkningsvärda resultat hittills, har den fortfarande några anmärkningsvärda begränsningar, som Sun och hans kollegor så småningom hoppas kunna övervinna.
"Eftersom vi använde hygroskopisk hydrogel som den joniska matrisen är miljöstabiliteten relativt dålig, speciellt vid fuktförändrande förhållanden," tillade Sun. "I mycket torra miljöförhållanden kommer jonmatrisen att bli hård genom att förlora vatten, och hudens förmåga att självläka blir också svår att inse. För att övervinna denna gräns är vi nu motiverade att producera ännu mer robusta joniska skinn som kan arbetar tillförlitligt under tuffa förhållanden, såsom låga och höga temperaturer, under vatten, vakuum eller i närvaro av frätande ämnen. Detta kommer att vara mycket användbart för mjuka robotar som förväntas fungera i ännu mer komplicerade och varierande miljöer än de som bebos av människor ." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
