17/05/2022
Door Ad Spijkers
De aan de TU Graz ontwikkelde 'Smartskin' voor robots of intelligente prothesen komt dicht bij de menselijke huid.
De huid is het grootste sensorische orgaan en tegelijkertijd de beschermende laag van de mens. Ze 'voelt' meerdere zintuiglijke indrukken tegelijk en geeft informatie over vochtigheid, temperatuur en druk door aan de hersenen. Voor onderzoekers is een materiaal met zulke multi-sensorische eigenschappen een soort heilige graal in intelligente, door de mens gemaakte materiaaltechnologie. Vooral robotica en intelligente protheses zouden baat hebben bij beter geïntegreerde, nauwkeurigere sensoren, vergelijkbaar met de menselijke huid. Het ontwikkelen van hybride materiaal Smartskin voor de volgende generatie kunstmatige, elektronische huid is het resultaat van baanbrekend onderzoek.
Gevoelig als vingertoppen
Bijna zes jaar lang werkte het team aan de ontwikkeling van Smartskin als onderdeel van het ERC-project SmartCore. Met 2.000 individuele sensoren per vierkante millimeter is het hybride materiaal gevoeliger dan menselijke vingertoppen. Elk van deze sensoren bestaat uit een unieke combinatie van materialen: een intelligent polymeer in de vorm van een hydrogel aan de binnenkant en een schaal gemaakt van piëzo-elektrisch zinkoxide. Hydrogel absorbeert water waardoor het uitzet bij veranderingen in vochtigheid en temperatuur. Daarbij oefent het druk uit op het piëzo-elektrische zinkoxide, dat hierop (en alle andere mechanische belastingen) reageert met een elektrisch signaal.
Het flinterdunne materiaal reageert met een hoge ruimtelijke resolutie gelijktijdig op de effecten van kracht, vocht en temperatuur en zendt overeenkomstige elektronische signalen uit. De eerste materiaalmonsters zijn 6 µm dik. Maar het kan volgens de onderzoekers nog dunner. Ter vergelijking: de menselijke opperhuid is 0,03 mm tot 2 mm dik. De menselijke huid neemt dingen waar vanaf een grootte van ongeveer 1 mm2. De Smartskin heeft een duizend keer betere resolutie en kan objecten registreren die te klein zijn voor de menselijke huid (zoals micro-organismen).
De afzonderlijke sensorlagen zijn dun maar tegelijkertijd uitgerust met sensorelementen die het hele gebied bestrijken. Dit werd mogelijk gemaakt door een proces, waarvoor de onderzoekers drie bekende methoden uit de fysische chemie combineerden
- chemische dampdepositie voor het hydrogelmateriaal
- atomaire laagdepositie voor het zinkoxide
- nanoprintlithografie voor de polymeersjabloon .
De onderzoeksgroep Hybrid Electronics and Structuring aan de TU Graz was verantwoordelijk voor de lithografische voorbereiding van de polymeersjabloon.
Toepassingen
Er openen zich verschillende toepassingsgebieden voor het huidachtige hybride materiaal. In de gezondheidszorg zou het sensormateriaal bijvoorbeeld zelfstandig micro-organismen kunnen detecteren en rapporteren. Denkbaar zijn ook prothesen die de drager informatie geven over temperatuur of vochtigheid, of robots die hun omgeving gevoeliger kunnen waarnemen. Op weg naar toepassing heeft Smartskin een belangrijk voordeel: de sensorische nanostaafjes – de 'slimme kern" van het materiaal – wordt geproduceerd met een op stoom gebaseerd productieproces. Dit proces is al goed ingeburgerd in productielijnen voor bijvoorbeeld geïntegreerde schakelingen. Zo kan de productie van de Smartskin eenvoudig worden opgeschaald en geïmplementeerd in bestaande productielijnen.
De eigenschappen van de Smartskin worden nu verder geoptimaliseerd. De onderzoekers willen het temperatuurbereik waarop het materiaal reageert uitbreiden en de flexibiliteit van de kunsthuid verbeteren.
Foto: Helmut Lunghammer, TU Graz