Bekväma töjningsmätare kan placeras direkt på mänsklig hud för att övervaka kontinuerlig rörelseaktivitet med omfattande tillämpningar inom robotik, mänsklig rörelsedetektion, och personlig hälsovård. Dock, det är utmanande att utveckla en töjningsmätare på huden för att övervaka långvariga mänskliga kroppsrörelser utan att störa hudens naturliga rörelser. I en ny rapport nu på Vetenskapens framsteg , Yan Wang, och ett team av forskare inom elektroteknik vid University of Tokyo och Center for Emergent Matter Science i Japan presenterade en ultratunn och hållbar nanomesh-töjningsmätare. Enheten tillät kontinuerlig rörelseaktivitet för att minimera de mekaniska begränsningarna för naturlig hudrörelse. De konstruerade enheten med förstärkta polyuretan-polydimetylsiloxan (PU-PDMS) nanomeshes för utmärkt hållbarhet och hållbarhet. Geometrin och mjukheten hos enheten gav minimal mekanisk störning för naturliga huddeformationer. Under taltest, till exempel, det nanomesh-fästa ansiktet visade hudspänningskartläggning liknande naturlig hud utan nanomeshes. Wang et al. visat långsiktig ansiktskartläggning för att upptäcka realtid, stabila kroppsrörelser med ytbundna nanomesh-sensorer.

Engineering en nanomesh

Bärbar elektronik för användning på huden är designad för att vara tunn, mjuk och hållbar för att integreras med mänsklig hud för kontinuerliga långtidsapplikationer. Töjningsmätare har väckt stort intresse för bioteknik på grund av deras tillämpningar i gränssnitt mellan människa och maskin för hälsodiagnostik. Mjuka töjningsmätare med hög precision kan användas för att kontinuerligt mäta biologiska organfunktioner. Dock, de har enklare mekanismer för att generera repetitiva elektriska förändringar efter mekanisk deformation, för tillämpningar som gränsar till biologiska system. Enheterna kräver endast hög mekanisk efterlevnad, flexibilitet, känslighet och biokompatibilitet för optimal funktion. I det här arbetet, Wang et al. utvecklat en ultratunn och hållbar nanomesh-töjningsmätare för att upptäcka mänskliga rörelser samtidigt som mekaniska begränsningar på naturlig hud minimeras. De använde PU-PDMS (polyuretan-polydimetylsiloxan) för att konstruera nanomeshes med en ultralätt vikt på 0,12 mg/cm ² och extraordinär mekanisk hållbarhet för applikationer med hög cyklisk stretching och släppning. Teamet använde upplägget för att framgångsrikt kartlägga ansiktshudbelastning under tal i upp till 3,5 timmar med minimal mekanisk störning efter långvarigt slitage.

Under experimenten, teamet första elektrospunna PU (polyuretan) nanofibrer för att skapa långa, hårliknande fibrer för att bilda ryggraden i den permeabla nanomesh-sensorn. I nästa steg, de doppade PU-nanofiberarket i en utspädd PDMS-lösning (polydimetylsiloxan) för att nanofibrerna skulle bilda slumpmässiga buntar omgivna av PDMS. Wang et al. utsatt materialet för mild ultraviolett (UV) ozonexponering för att härda ytan och underlätta ythydrofilicitet (vattenälskande natur) för biokompatibilitet. De fullbordade enheten med gulddeponering på båda sidor och observerade den resulterande PU-PDMS-kärnmanteln med hjälp av svepelektronmikroskopi (SEM). PDMS-beläggningen förbättrade sammankopplingen mellan nanofibrerna för förbättrad strukturell integritet hos konstruktionerna. Den resulterande mekaniska styrkan hos den fristående PU-PDMS nanomesh förbättrades avsevärt med större töjbarhet jämfört med det nakna nanofiberarket och teamet undersökte också dess gaspermeabilitet.

Programmerbar töjbarhet och känslighet

Wang et al. effektivt utformade olika nanomesh-strukturer genom att variera PDMS-koncentrationen för att erhålla nanomesh-töjningsmätare med olika känslighet och töjbarhet. Dock, alla anordningar bibehöll liknande porstorleksfördelningar i förhållande till deras porösa struktur. Forskarna definierade gage-faktorn (GF) eller töjningskänslighet som förhållandet mellan fraktionerad förändring i elektriskt motstånd och fraktionerad förändring i längd. Olika nätstrukturer visade olika töjbarhet och gagefaktorer. Under enaxlig sträckning, motståndet för varje enhet ökade med olika hastigheter. Genom att späda PDMS-lösningen, de programmerade effektivt nanomesh-töjningsgivarna med olika töjbarhet och känslighet. Vid högre spänningar utanför toleransintervallet, PU-PDMS-näten kopplade från för att orsaka nanomesh-nedbrytning, medan nanomesh-strukturen kunde bibehållas genom att släppa stammen.

Elektromekanisk hållbarhet, tillförlitlighet och hållbarhet för PU-PDMS nanomesh-sensorer

För att förstå enhetens hållbarhet, forskargruppen belastade enheten med 40 % under 12 timmar. De utförde sedan cykliska tester för att undersöka konstruktionens mekaniska hållbarhet och noterade en lätt hysteres i motstånd under de första hundratals cyklerna på grund av de mekaniska egenskaperna hos PDMS. Arkmotståndet för PU-PDMS nanomesh var stabil under 100 dagars lagring i omgivande förhållanden på grund av dess inerta guldyta, indikerar lång hållbarhet, väl lämpad för praktiska tillämpningar. Forskarna genomförde hållbarhetstester för nanomesh-sensorerna med hjälp av konstruktioner konstruerade med olika nanofiberställningar inklusive polyvinylalkohol (PVA), enbart polyuretan (PU) och PU med parylenbeläggning. Jämfört med de tre andra nanomeshes som inte fungerade så effektivt, PU-PDMS nanomeshes visade enhetlig cyklisk belastning under 100 cykler.

Efter att ha fäst nanomesh-enheten på mänsklig hud, teamet sprayade ytan med vattendimma för stabil vidhäftning. Kontakten var knappt märkbar för försökspersonen som bar nanomesh-sensorerna under experimentet. Wang et al. fästa nanomesh-sensorer på höger sida av ansiktet och placerade svarta rektangelmarkörer på vänster sida som referens. När testpersonen formulerade bokstäverna "a, " "o" och "u, " de högsta spänningarna som registrerats för svarta markörer varierade mellan 17,5 till 25 %, medan de som registrerades för nanomesh-sensorer var 18,3 till 23,6 %. Stamkartläggningsresultaten visade därför symmetrisk hudspänningsfördelning på höger och vänster sida av ansiktet, belyser minimala mekaniska begränsningar för nanoskaliga enheter på huden under tal. De formbara nanomeshorna kunde bäras i 3,5 timmar utan obehag.

Teamet utökade sedan experimenten för att upptäcka subtila huddeformationer på den mänskliga handleden inducerade av puls. De tryckte försiktigt på den radiella artären på den mänskliga handleden fäst med en nanomesh-sensor och valde amplituden och frekvensen i realtid, enheten kan användas för att övervaka signaler före och efter fysisk träning. Konstruktionen bibehöll högre linjär töjbarhet för att upptäcka stora ledböjningsrörelser med utmärkt följsamhet för att förhindra brott eller lossnar från huden. Töjningssensorn bibehöll effektiv funktionalitet även efter 10, 000 böjnings-/avslappningscykler för att visa dess strukturella integritet och anpassningsbarhet mellan huden och enheten.

På det här sättet, PU-PDMS (polyuretan-polydimetylsiloxan) baserad ultramjuk, Nanomeshes med flera lager som utvecklats i detta arbete var tunnare och mer töjbara jämfört med tidigare arbete utfört av samma team. Konstruktionerna visade anmärkningsvärd hållbarhet och hållbarhet under cykliska stretchtest. Den mekaniska hållbarheten var en nyckelfunktion för långvariga hudövervakningstester med hög precision i realtid. Nanomesh-sensorerna är väl lämpade för en rad praktiska tillämpningar inklusive fjärrövervakning av personlig hälsa, spårning av uthållighetsidrottsprestationer och som proteser för hud-maskingränssnitt. Wang et al. föreslå att guldytbeläggningen ersätts med mer kostnadseffektiva ledande nanomaterial för att konstruera nanomesh-elektronik i framtiden. Forskarna föreställer sig att dessa konstruktioner kommer att bli tillämpliga som futuristisk elektronik på huden/implanterbar för vardagliga hälsoövervakningsaktiviteter.

© 2020 Science X Network