پوست الکترونیک، ابزار تقلید حس لامسه

گروه علمی:اواخر دهه ۷۰میلادی/ دهه۵۰خورشیدی، زمانی‌که یوآنیس وی. یاناس، استادیار گروه مهندسی مکانیک موسسه فناوری ماساچوست (ام‌آی‌تی) و جان اف‌. بروک، رئیس ستاد موسسه سوانح‌سوختگی شرینرز در بوستون ماساچوست، فرآیندی را برای القای بازسازی در پوست ابداع کردند که به اختراع پوست مصنوعی انجامید، هرگز تصور نمی‌کردند این فناوری ـــ که ابتدا صرفا برای بازسازی و درمان پوست در بیماران با سوختگی‌های شدید کاربرد داشت ـــ روزی به توسعه بافت پوست‌مانندی بینجامد که از مواد نیمه‌رسانای انعطاف‌پذیر تشکیل شده و درحال‌حاضر در مرحله آزمایشگاهی می‌تواند حس لامسه را در افرادی که از اندام مصنوعی استفاده می‌کنند، برانگیزد.

از بیش‌ از یک‌دهه قبل، توسعه نوعی غشای انعطاف‌پذیر رسانا آغاز شده که قادر است اطلاعات حسی را به مغز و ماهیچه‌ها برساند؛ فناوری جدیدی که پوست الکترونیکی نام دارد و به باور دانشمندان گامی روبه‌جلو در پوست مصنوعی خواهد بود. تاکنون، تلاش‌های زیادی برای کاربردهای بالقوه‌اش به‌ویژه در حوزه پزشکی انجام شده است. از پیشرفت‌های اخیری که در این حوزه به‌دست آمده، ابداع پوست الکترونیکی جدیدی است که می‌تواند همان فرآیندی را تقلید کند که باعث می‌شود انگشت دست یا پا هنگام ضربه‌خوردن یا سوختن تکان بخورد. این فناوری می‌تواند به توسعه پوششی برای اندام‌های مصنوعی منجر شود که به استفاده‌کنندگانش حس لامسه می‌دهد و به بازگرداندن حس در افرادی که پوست‌شان آسیب دیده، کمک می‌کند.

برای دستیابی به کاربردهای عملی پوست مصنوعی به‌عنوان ابزار الکترونیکی مصرفی هنوز راهی طولانی در پیش است. در این مسیر ابتدا ویژگی‌های حیاتی در پوست الکترونیکی کاربردی باید تجزیه ‌و‌ تحلیل شود. سپس پشتیبانی‌های فنی که برای دستیابی به پوست الکترونیکی کاربردی نیاز است باید مورد بحث قرار گیرد و پوست الکترونیکی از نظر استفاده‌های کوتاه‌مدت، میان‌مدت و طولانی‌مدت بررسی و در‌نهایت، پیشنهادهایی برای مسیرهای توسعه آتی ارائه شود.

پژوهشگران آزمایشگاه مهندسی شیمی دانشگاه استنفورد کالیفرنیا به سرپرستی ژنان بائو، مدت‌هاست که می‌کوشند تا پوست مصنوعی نرم و انعطاف‌پذیری بسازند که همچنین قادر باشد سیگنال‌های الکتریکی را به مغز منتقل کند و به ‌این‌ترتیب به کاربر اجازه دهد فشار، کشش و تغییرات دما را احساس کند. نتایج این پژوهش که به تازگی در نشریه تخصصی ساینس منتشر شده، نشان می‌دهد آنها موفق به تولید نوعی پوست الکترونیکی شده‌اند که از حسگر نازک و انعطاف‌پذیری تشکیل شده که می‌تواند سیگنالی را به بخشی از کورتکس حسی‌حرکتی در مغز موش منتقل کند.

این انتقال موجب می‌شود پای حیوان هنگام فشاردادن یا فشردن پوست الکترونیکی منقبض شود. بائو می‌گوید: «این پوست الکترونیکی جدید واقعا همه آن ویژگی‌هایی را دارد که ما مدت‌های زیادی آرزویش را داشتیم.» پوست الکترونیکی اساسا از سه بخش اصلی تشکیل شده است: حسگرها، ارتباطات بی‌سیم و تعامل انسان ـــ ماشین. حسگر جزء کلیدی پوست الکترونیکی است که سیگنال‌های غیرالکتریکی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند.

جنس پوست الکترونیکی
همان‌طورکه پیشتر گفته شد، پوست الکترونیکی سامانه‌ای است که می‌تواند قدرت درک پوست انسان را شبیه‌سازی کند. از آنجا که پوست الکترونیکی توانایی تشخیص فشار را دارد در حوزه‌های نظارت بر سلامت انسان، تشخیص پزشکی، تحقیقات زیستی و هوش مصنوعی توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده است. برای شبیه‌سازی سامانه سنجش فشار پوست انسان، پوست الکترونیکی باید بتواند محدوده فشارهای مختلف (کمتر از ۱۰کیلو پاسکال و بین ۱۰تا ۱۰۰کیلوپاسکال) را اندازه‌گیری کند و دارای ویژگی‌های حساسیت بالا و زمان پاسخ سریع باشد.

تاکنون رویکردهای مختلفی برای توسعه پوست الکترونیکی استفاده شده که معمولا از خازن‌ها و مواد پلیمری هیبریدی ساخته می‌شود.در یک دهه اخیر، پژوهش‌های بسیار زیادی برای استفاده از مواد مختلف باهدف افزایش حساسیت این فناوری به حرارت، فشار و کشش انجام شده است؛ سه عاملی که هریک به‌نوبه خود بخشی از درک حس لامسه به‌شمار می‌رود و بنابراین با ارتقای پوست الکترونیکی برای درک‌ بهتر حرارت، فشار و کشش می‌توان به نتایج بهتری در شبیه‌سازی دقیق‌تر پوست مصنوعی به پوست طبیعی دست‌یافت.

به عنوان ‌مثال، سال ۲۰۱۱/۱۳۹۰ پژوهشگران گروه مهندسی نانو در دانشگاه کالیفرنیا نوعی پوست الکترونیکی طراحی کردند که قادر بود فشار و تنش را اندازه‌گیری کند. این پوست الکترونیکی می‌توانست تا ۱۵۰درصد کشش را در دامنه فشار صفر تا ۵۰ کیلوپاسکال تحمل کند.

همچنین سال ۲۰۱۷/۱۳۹۶ گروهی از دانشمندان دانشگاه ملی سئول در کره‌جنوبی باهدف توسعه پوست الکترونیکی با حساسیت بالا، آرایه‌ای ترانزیستوری را برپایه نانولوله‌های کربنی و نانوسیم‌های نقره توسعه دادند که در دامنه فشار صفر تا ۶/۰ کیلوپاسکال است و ازاین‌رو، حساسیت بسیار بالایی به فشار دارد و به‌راحتی می‌توان آن را با دستگاه‌های پوشیدنی الکترونیکی ادغام کرد. سال ۲۰۱۹/۱۳۹۸ هم محققان مدرسه فناوری و علوم هوافضای دانشگاه شیدیان در شی‌آن چین، پوست الکترونیکی انعطاف‌پذیری برپایه فیلم گرافن دو بعدی توسعه دادند.

این پوست الکترونیکی از واحدهای حسگر لمسی ۴×۴ تشکیل شده که شامل سه لایه است: لایه زیرین از جنس پلی‌آمید، لایه میانی از ترکیب فیلم گرافن دوبعدی و پلی‌اتیلن‌ترفتالات و لایه فوقانی از جنس پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (PDMS). این پوست الکترونیکی از مزایای حساسیت بالا، محدوده اندازه‌گیری زیاد فشار و زمان پاسخ سریع برخوردار است و ارزش کاربردی بالایی برای پیشرفت و توسعه هوش مصنوعی، پزشکی توانبخشی و سایر حوزه‌ها دارد.

در پژوهش دانشگاه استنفورد کالیفرنیا به سرپرستی ژنان بائو، این دانشمندان به یک دی‌الکتریک الاستومری (پلیمر انعطاف‌پذیر) سه‌لایه و با گذردهی بالا با قابلیت نوسان کم‌آستانه دست یافتند که با ترانزیستورهای سیلیکونی پلی‌کریستالی با ولتاژ عملیاتی کم و با مصرف اندک برق و یکپارچه‌سازی مدارهای مجتمع برای دستگاه‌های آلی کشسان قابل قیاس است. این پوست الکترونیکی از حلقه حسی‌حرکتی زیستی تقلید و به‌کمک یک ترانزیستور شبه‌سیناپسی حالت جامد، تحریک حسی بسیار قوی تولید می‌کند.

پوست انعطاف‌پذیر
در پوست سالم، گیرنده‌های مکانیکی، اطلاعات را حس و آنها را به پالس‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند و این پالس‌ها از مسیر دستگاه عصبی به مغز منتقل می‌شود. برای تقلید این فرآیند، پوست الکترونیکی به حسگرها و مدارهای مجتمع نیاز دارد که معمولا از نیمه‌رساناهای‌سفت‌و‌سخت ساخته می‌شوند. درحال‌حاضر، سامانه‌های الکترونیکی انعطاف‌پذیر در دسترس هستند اما ازآنجا که معمولا در ولتاژهای بالا کار می‌کنند برای دستگاه‌های پوشیدنی ناامن هستند.

ازاین‌رو برای ساخت یک پوست الکترونیکی کاملا نرم، تیم بائو پلیمر انعطاف‌پذیری را برای استفاده به‌عنوان دی‌الکتریک توسعه داد که درواقع، لایه نازکی از پلیمر در یک دستگاه نیمه‌رساناست که قدرت سیگنال و ولتاژ مورد نیاز برای راه‌اندازی دستگاه را تعیین می‌کند. سپس این پژوهشگران از دی‌الکتریک برای ساخت آرایه‌‌ای از ترانزیستورهای کشسان و انعطاف‌پذیر استفاده کردند و آن را با حسگری که همانند پوست نازک و نرم بود، ترکیب کردند.

این حسگر می‌تواند تغییرات فیزیکی ازجمله فشار اعمال‌شده یا تغییر دما را به یک پالس الکتریکی تبدیل کند. این محققان همچنین دستگاهی ساختند که قادر است سیگنال‌های الکتریکی را از اعصاب به ماهیچه‌ها منتقل و از اتصالات موجود در دستگاه عصبی که سیناپس نام دارند، تقلید کند. گروه بائو این سامانه را روی موش آزمایش کردند. در این آزمایش، پوست با سیم به کورتکس حسی‌‌حرکتی موش ـــ بخشی از مغز که مسئول پردازش احساسات فیزیکی است ـــ متصل شد. وقتی پوست الکترونیکی با لمس فعال شد به مغز سیگنال الکتریکی ارسال کرد و سپس با کمک سیناپس مصنوعی به عصب سیاتیک در پای حیوان منتقل و باعث انقباض اندام شد.