Je leest:

Scheermes en zweet geen probleem voor nieuwe kunsthuid

Scheermes en zweet geen probleem voor nieuwe kunsthuid

Flexibel elektronisch circuit herwint geleidende en mechanische eigenschappen na schade

Auteur: | 24 augustus 2018

Een slimme combinatie van flexibele elektronica en zelfherstellende materialen betekent weer een stapje richting een kunstmatige ‘huid’ voor draagbare medische sensoren of protheses.

Draagbare sensoren die signalen vanuit je lichaam registeren, robots met een zacht omhulsel, levensechte protheses, medische implantaten – voor al deze dingen is de menselijke huid een inspiratiebron. Onze huid is flexibel en elastisch, herstelt zichzelf na schade en kan chemische en elektrische signalen doorgeven. Heel verschillende eigenschappen die een ‘kunsthuid’ ook allemaal moet hebben.

Voor ieder van deze eigenschappen is de laatste jaren veel vooruitgang geboekt, dankzij de ontwikkeling van flexibele elektronica en elastische materialen die zelfstandig ‘dichtgroeien’. Er zijn zelfs flexibele elektronische circuits ontwikkeld die zichzelf herstellen na schade en hun geleidend vermogen terugwinnen. Maar wat nog ontbrak was een materiaal dat na schade zowel zijn elektronische als zijn elastische eigenschappen compleet kan herstellen.

Bao natnano schema herstel cnt
Schematische weergave van het herstel van het elektronische circuit. De koolstofnanobuisjes (de grijze sliertjes) liften als het ware mee met het omhullende materiaal dat zichzelf herstelt na de schade (linksonder). De koolstofnanobuisjes komen hierdoor ook weer bij elkaar in de buurt en kleven vast, zodat het gehele netwerk weer stroom kan geleiden. In de grafiek is te zien hoe de weerstand daalt, nadat de schade is hersteld.

Krassen, rekken, zweten

Onderzoekers van Stanford University (VS) onder leiding van Zhenan Bao hebben hier een oplossing voor gevonden, zo beschrijven ze in het tijdschrift Nature Nanotechnology. Ze combineren koolstofnanobuisjes, die het flexibele elektronische circuit vormen, met een elastisch, zelfherstellend polymeer (kunststof). Het resultaat is een materiaal waar je in kunt krassen met een scheermes, dat je flink kunt uitrekken en dat je kunt blootstellen aan imitatiezweet, maar dat zich helemaal herstelt. En wel zodanig, dat het herstelde materiaal weer net zo elastisch en net zo geleidend wordt als voorheen.

Bao natnano2018 rekbaarheid electrode
Boven: het materiaal blijft de stroom ongehinderd geleiden, ook na flinke uitrekking, te zien aan het brandende lampje. Rechtsonder: na compleet doorsnijden herstelt het materiaal zichzelf.

Het team van Bao laat het niet alleen bij metingen aan het materiaal, ze laten ook verschillende toepassingen zien. De nieuwe kunsthuid is bijvoorbeeld inzetbaar als een draagbare hartslagmeter die via lichtsignalen is af te lezen en werkt tegelijkertijd ook als een sensor voor ECG (elektrocardiogram). De onderzoekers presenteren hun resultaten – begrijpelijkerwijs – vol overtuiging en als een grote doorbraak, maar is dat wel terecht? Ze combineren immers bestaande materialen en de toepassingen die ze laten zien zijn ook niet nieuw.

“Ze verkopen hun werk heel goed”, reageert materiaalwetenschapper Peter Zalar, onderzoeker bij het Holst Centre/TNO, dat gespecialiseerd is in flexibele elektronica en draadloze sensoren. “Maar ze geven zelf ook aan dat het om de integratie gaat, waarbij ze gebruikmaken van bestaande concepten en materialen die in sommige gevallen al jaren bekend zijn. Er zit trouwens nog een Nederlands tintje aan: de zelfherstellende polymeren die ze gebruiken, zijn gebaseerd op het onderzoek van de groep van Bert Meijer aan de TU Eindhoven. Het belangrijkste resultaat van dit werk zit in de combinatie van de koolstofnanobuisjes en het zelfherstellend materiaal, waardoor een rekbaar elektronisch circuit ontstaat dat zichzelf compleet kan herstellen. Dat is nieuw.”

Demonstratie voor de toekomst

Dat betekent volgens Zalar echter niet dat de praktische toepassing van deze nieuwe kunsthuid op korte termijn te verwachten is. Dit type onderzoek ziet hij vooral als een interessante demonstratie van wat er in de toekomst wellicht mogelijk is. “Het geeft een idee over waar dit veld naartoe gaat, maar het is niet direct inzetbaar voor ons werk. We zijn gericht op industriële toepassingen en dan werk je met een horizon van ongeveer vijf jaar. Het omzetten van het onderzoek van Bao naar de praktijk zal meer tijd vragen.”

Waar liggen dan de grote obstakels? Bao en haar team laten immers al voorbeelden zien van een draagbare sensor. “Klopt, maar het gebruik van dure, ‘exotische’ materialen als koolstofnanobuisjes is niet aantrekkelijk voor de industrie”, aldus Zalar. “Dat zullen bedrijven alleen overwegen als de toepassing dat rechtvaardigt.” Een ander belangrijk punt is de veiligheid voor de drager, zeker voor toepassingen die direct op de huid worden aangebracht. “Je moet als producent kunnen aantonen dat het materiaal geen gezondheidsproblemen oplevert en het kost veel tijd om dat grondig te onderzoeken en te testen.”

Echt draagbaar?

Bao natnano2018 sensor op arm
Foto van de nieuwe elektronische ‘huid’ waarin drie onderdelen zijn gecombineerd. De verschillende draadjes die eruit steken laten zien dat het geheel niet praktisch draagbaar is, de drager zit nog vast aan de stroomvoorziening en meetapparatuur.

Misschien wel het belangrijkste obstakel is ook meteen het meest ironisch, zegt Zalar. “We zijn allemaal heel druk bezig om heel futuristische apparaten te ontwikkelen, maar ook in deze demonstratie van Bao zie je dat de stroomvoorziening van de nieuwe ‘draagbare’ kunsthuid nog gewoon via ouderwetse kabels en koppelingen verloopt. Ook voor het uitlezen van de meetgegevens zit de drager met snoertjes vast aan een laptop. De omgeving waarin al deze nieuwe toepassingen moeten functioneren is er nog helemaal niet klaar voor. Daar zit echt een grote uitdaging: hoe gaan we al deze draagbare, draadloze apparaten voorzien van stroom en hoe gaan we alles aan elkaar verbinden voor het verwerken van de gegevens? Dat zal nog heel veel werk vragen.”

Bron

Donghee Son, Jiheong Kang, Orestis Vardoulis, et al., An integrated self-healable electronic skin system fabricated via dynamic reconstruction of a nanostructured conducting network, Nature Nanotechnology (2018), doi:10.1038/s41565-018-0244-6

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 24 augustus 2018

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.