الجلد الإلكتروني له مستقبل قوي يمتد للأمام – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Electronic skin has a strong future stretching ahead
(جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية)

يمكن استخدام مادة تحاكي جلد الإنسان من حيث القوة والمطاطية والحساسية لجمع البيانات البيولوجية في الوقت الفعلي. وقد تلعب البشرة الإلكترونية، أو الجلد الإلكتروني، دورًا مهمًا في الجيل التالي من الأطراف الصناعية، والطب (الدواء) الشخصي، والروبوتات اللينة والذكاء الاصطناعي.

وتقول باحثة ما بعد الدكتوراه في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية يتشن كاي [١]  (Yichen Cai) : “ستحاكي البشرة الإلكترونية المثالية العديد من الوظائف الطبيعية لجلد الإنسان، مثل استشعار درجة الحرارة واللمس، بدقة وفي الوقت الفعلي”. ومع ذلك ، فإن صنع إلكترونيات مرنة بشكل مناسب يمكنها أداء مثل هذه المهام الدقيقة مع تحمل الصدمات والخدوش في الحياة اليومية يمثل تحديًا، ويجب تصميم كل مادة معنية بعناية.

وتُصْنع معظم الجلود الإلكترونية بوضع طبقة من مادة نانوية نشطة (المستشعر) على سطح مرن يتصل بجلد الإنسان. ومع ذلك، فإن الرابط بين هذه الطبقات غالبًا ما يكون ضعيفًا للغاية، مما يقلل من متانة وحساسية المادة؛ وبدلاً من ذلك، إذا كانت قوية جدًا، تصبح المرونة محدودة، مما يزيد من احتمالية حدوث كسر في الدائرة الكهربائية. وقالت كاي: “يستمر مشهد إلكترونيات الجلد في التغير بوتيرة مذهلة”. وأضافت: “أدى ظهور المستشعرات ثنائية الأبعاد إلى تسريع الجهود المبذولة لدمج هذه المواد النحيفة ذريًا والقوية ميكانيكيًا في جلود اصطناعية وظيفية ومتينة”.

وقد قام فريق بقيادة كاي وزميلها جي شن [٢] (Jie Shen) ، بصنع جلد إلكتروني متين باستخدام هيدروجيل مقوى بجزيئات السيليكا النانوية كركيزة قوية ومطاطة وكربيد التيتانيوم مكسين ثنائي الأبعاد [٣] (2-D titanium carbide MXene) كطبقة استشعار، مرتبطة مع أسلاك نانوية عالية التوصيل.

“الهلاميات المائية هي أكثر من 70 في المائة من الماء، مما يجعلها متوافقة للغاية مع أنسجة الجلد البشرية” ، أوضح شين. من خلال تمديد هيدروجيل مسبقًا في جميع الاتجاهات، ووضع طبقة من الأسلاك النانوية، ثم التحكم بعناية في تحريرها (اطلاقها)، أنشأ الباحثون مسارات موصلة لطبقة المستشعر ظلت سليمة حتى عندما تم شد المادة إلى 28 ضعف حجمها الأصلي.

ويمكن أن يستشعر النموذج الأولي للجلد الإلكتروني الأشياء من مسافة 20 سم، ويستجيب للمنبهات في أقل من عُشر من الثانية، وعند استخدامه كمستشعر ضغط، يمكنه التمييز بين الكتابة اليدوية المكتوبة عليه. واستمر في العمل بشكل جيد بعد 5000 تشوه، وتعافى في حوالي ربع ثانية في كل مرة. وقال شين: “إنه إنجاز مذهل بالنسبة للبشرة الإلكترونية أن تحافظ على المتانة بعد الاستخدام المتكرر” ، وأضاف: “وهو ما يحاكي المرونة والانتعاش السريع لجلد الإنسان”. ويمكن لمثل هذه الجلود الالكترونية أن تراقب مجموعة من المعلومات البيولوجية، مثل التغيرات في ضغط الدم، والتي يمكن اكتشافها من الاهتزازات في الشرايين إلى حركات الأطراف الكبيرة والمفاصل. كما يمكن بعد ذلك مشاركة هذه البيانات وتخزينها على السحابة عبر الواي فاي (Wi-Fi).

وقال قائد المجموعة فينسينت تونج [٥]: “إحدى العوائق المتبقية أمام الاستخدام الواسع للجلود الإلكترونية تكمن في زيادة أجهزة الاستشعار عالية الدقة، ومع ذلك، فإن التصنيع الإضافي بمساعدة الليزر يقدم وعدًا جديدًا”. وأضافت كاي: “نتصور مستقبلًا لهذه التكنولوجيا يتجاوز علم الأحياء، ويمكن لشريط الاستشعار القابل للمط أن يراقب يومًا ما الصحة الهيكلية للأجسام غير الحية، مثل الأثاث والطائرات”.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://discovery.kaust.edu.sa/en/article/1066/electronic-skin-has-a-strong-future-stretching-ahead

الهوامش:

[١] تعمل يتشن كاي (Yichen Cai) حاليًا في قسم علوم وهندسة المواد بجامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية، وتقوم بأبحاث في علوم المواد وفيزياء المواد وكيمياء المواد.

[٢] جي شن (Jie Shen) زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية، حاصل على دكتوراه في الهندسة الكيميائية من جامعة نانجينغ للتكنولوجيا، نانجينغ، الصين عام 2018 ، وباحث زائر في الهندسة الميكانيكية بجامعة كاليفورنيا، بيركلي، الولايات المتحدة عام 2017. وقد نال درجة البكالوريوس في الهندسة الكيميائية من جامعة نانجينغ للتكنولوجيا في 2013م.

[٣] كربيد التيتانيوم ثنائي الأبعاد بصيغة Ti3C2 هو عضو في عائلة من كربيدات المعادن الانتقالية ثنائية الأبعاد والنتريد، والمعروفة باسم مكسين (MXenes) ، بصيغة Mn + 1Xn ، حيث M هو معدن انتقالي مبكر (مثل Ti ، V ، Nb ، و Mo) و X عبارة عن كربون أو نيتروجين. المصدر:  https://advances.sciencemag.org/content/4/9/eaau0920.full

[٤] الهيدروجيل عبارة عن شبكة من سلاسل البوليمر المتشابكة المحبة للماء، والتي توجد أحيانًا على شكل هلام غرواني حيث يكون الماء هو وسيط التشتت. وتنتج المادة الصلبة ثلاثية الأبعاد من سلاسل البوليمر المحبة للماء التي يتم ربطها معًا بواسطة روابط متقاطعة. ويكيبيديا.

[٥] يعمل الأستاذ المشارك فنسنت تونغ (Vincent Tung) وتركز أبحاثه على تطوير العلوم الأساسية إلى جانب التصنيع النانوي المتقدم اللازم لترجمة الخصائص غير العادية للمواد ثنائية الأبعاد (2D) ، من الكالكوجينيدات والنتريد والأكاسيد إلى الجرافين ، إلى تطبيقات واقعية.

استكشف أكثر عن الجلد الالكتروني: https://techxplore.com/news/2020-11-skin-like-electronic-skin.html

لمزيد من المعلومات:  “Mixed-dimensional MXene-hydrogel heterostructures for electronic skin sensors with ultrabroad working range” Science Advances (2020). advances.sciencemag.org/lookup … .1126/sciadv.abb5367