חוקרים פיתחו שיטה לייצור חיישנים אדפטיביים וידידותיים לסביבה שניתן להדפיס באופן ישיר ובלתי מורגש על מגוון רחב של משטחים ביולוגיים, בין אם זו אצבע או עלה כותרת של פרח. קרדיט: אוניברסיטת קיימברידג'
חוקרי קיימברידג' פיתחו חיישנים קלים וידידותיים לסביבה, בהשראת משי עכביש, המשתלבים בצורה חלקה עם משטחים ביולוגיים עבור יישומים מגוונים בניטור בריאות ומציאות מדומה.
מדענים פיתחו שיטה לייצור חיישנים אדפטיביים וידידותיים לסביבה שניתן להדפיס באופן ישיר ובלתי מורגש על מגוון רחב של משטחים ביולוגיים, בין אם זו אצבע או עלה כותרת של פרח.
השיטה, שפותחה על ידי חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג', שואבת את השראתה ממשי עכביש, שיכול להתאים ולהיצמד למגוון משטחים. 'משי העכביש' הללו משלבים גם ביו-אלקטרוניקה, כך שניתן להוסיף ל'רשת' יכולות חישה שונות.
טכנולוגיית חיישן מתקדמת
הסיבים, קטנים פי 50 לפחות משערת אדם, הם כל כך קלים עד שהחוקרים הדפיסו אותם ישירות על ראש הזרע הרך של שן הארי מבלי למוטט את המבנה שלו. כאשר מודפסים על עור אנושי, חיישני הסיבים מתאימים לעור וחושפים את נקבוביות הזיעה, כך שהלובש אינו מזהה את נוכחותם. בדיקות של הסיבים שהודפסו על אצבע אנושית מצביעות על כך שהם יכולים לשמש כמוניטור בריאות רציף.
שיטת הפסולת הנמוכה הזו והפליטה הנמוכה הזו להגדלת מבני חיים יכולה לשמש במגוון תחומים, החל משירותי בריאות ומציאות מדומה, ועד לטקסטיל אלקטרוני וניטור סביבתי. התוצאות מדווחות היום (24 במאי) בכתב העת טבע אלקטרוניקה.
חוקרים פיתחו שיטה לייצור חיישנים אדפטיביים וידידותיים לסביבה שניתן להדפיס באופן ישיר ובלתי מורגש על מגוון רחב של משטחים ביולוגיים, בין אם זו אצבע או עלה כותרת של פרח. הסיבים, קטנים פי 50 לפחות משערת אדם, הם כל כך קלים עד שהחוקרים הדפיסו אותם ישירות על ראש הזרע הרך של שן הארי מבלי למוטט את המבנה שלו. קרדיט: אוניברסיטת קיימברידג'
למרות שעור אנושי רגיש להפליא, הגדלתו באמצעות חיישנים אלקטרוניים עשויה לשנות מהותית את אופן האינטראקציה שלנו עם העולם שסביבנו. לדוגמה, חיישנים המודפסים ישירות על העור יכולים לשמש לניטור בריאות מתמשך, להבנת תחושות העור, או לשפר את תחושת ה"מציאות" ביישומי משחקים או מציאות מדומה.
אתגרים בטכנולוגיה לבישה
בעוד שטכנולוגיות לבישות עם חיישנים משובצים, כמו שעונים חכמים, זמינות באופן נרחב, מכשירים אלו עלולים להיות לא נוחים ומטרידים. הם יכולים גם לעכב את התחושות הפנימיות של העור.
"אם אתה רוצה לחוש במדויק משהו על משטח ביולוגי כמו עור או עלה, הממשק בין המכשיר למשטח הוא חיוני", אמר פרופסור יאן יאן שרי הואנג מהמחלקה להנדסה בקיימברידג', שהובילה את המחקר. "אנחנו גם רוצים ביו-אלקטרוניקה שלא מורגשת לחלוטין למשתמש, כך שהיא לא מפריעה בשום צורה לאופן שבו המשתמש מתקשר עם העולם, ואנחנו רוצים שהיא תהיה בת קיימא ובזבוז נמוך."
חוקרים פיתחו שיטה לייצור חיישנים אדפטיביים וידידותיים לסביבה שניתן להדפיס באופן ישיר ובלתי מורגש על מגוון רחב של משטחים ביולוגיים, בין אם זו אצבע או עלה כותרת של פרח. כאשר מודפסים על עור אנושי, חיישני הסיבים מתאימים לעור וחושפים את נקבוביות הזיעה, כך שהלובש אינו מזהה את נוכחותם. בדיקות של הסיבים שהודפסו על אצבע אנושית מצביעות על כך שהם יכולים לשמש כמוניטור בריאות רציף. קרדיט: אוניברסיטת קיימברידג'
חידושים באלקטרוניקה גמישה
ישנן מספר שיטות לייצור חיישנים לבישים, אך לכל אלה יש חסרונות. אלקטרוניקה גמישה, למשל, מודפסת בדרך כלל על סרטי פלסטיק שאינם מאפשרים גז או לחות לעבור דרכם, כך שזה יהיה כמו לעטוף את העור בניילון נצמד. חוקרים אחרים פיתחו לאחרונה מוצרי אלקטרוניקה גמישים שהם חדירים לגז, כמו עורות מלאכותיים, אך אלה עדיין מפריעים לתחושה הרגילה, ומסתמכים על טכניקות ייצור עתירות אנרגיה ופסולת.
הדפסה תלת מימדית היא מסלול פוטנציאלי נוסף לביו-אלקטרוניקה מכיוון שהיא פחות בזבזנית משיטות ייצור אחרות, אך מובילה להתקנים עבים יותר שיכולים להפריע להתנהגות רגילה. ספינינג של סיבים אלקטרוניים מביאים למכשירים שאינם מורגשים למשתמש, אך ללא דרגת רגישות או תחכום גבוהה, וקשה להעביר אותם אל האובייקט המדובר.
כעת, הצוות בראשות קיימברידג' פיתח דרך חדשה לייצור ביו-אלקטרוניקה בעלת ביצועים גבוהים שניתן להתאים אישית למגוון רחב של משטחים ביולוגיים, מקצה האצבע ועד לראש הזרע הרך של שן הארי, על ידי הדפסתם ישירות על משטח זה. הטכניקה שלהם לוקחת את השראתה בחלקה מעכבישים, היוצרים מבני רשת מתוחכמים וחזקים המותאמים לסביבתם, תוך שימוש בחומר מינימלי.
החוקרים סובבו את 'משי העכביש' הביו-אלקטרוני שלהם מ-PEDOT:PSS (פולימר מוליך ביו-תואם), היאלורונית חוּמצָה, ופוליאתילן אוקסיד. הסיבים בעלי הביצועים הגבוהים הופקו מתמיסה על בסיס מים בטמפרטורת החדר, מה שאפשר לחוקרים לשלוט ב'יכולת הסחרור' של הסיבים. החוקרים תכננו אז גישת ספינינג מסלולית כדי לאפשר לסיבים לעבור למשטחים חיים, אפילו עד למבנים מיקרוניים כגון טביעות אצבע.
בדיקות של הסיבים הביו-אלקטרוניים, על משטחים הכוללים אצבעות אנושיות וראשי זרעי שן הארי, הראו שהם מספקים ביצועי חיישן באיכות גבוהה תוך שהם נשארים בלתי מורגשים למארח.
"גישת הספינינג שלנו מאפשרת לסיבים הביו-אלקטרוניים לעקוב אחר האנטומיה של צורות שונות, הן בקנה מידה מיקרו והן בקנה מידה מאקרו, ללא צורך בכל זיהוי תמונה", אמר אנדי וואנג, המחבר הראשון של המאמר. "זה פותח זווית אחרת לגמרי מבחינת האופן שבו ניתן לייצר אלקטרוניקה וחיישנים ברי קיימא. זו דרך הרבה יותר קלה לייצר חיישני שטח גדול".
כיוונים עתידיים ומסחור
רוב החיישנים ברזולוציה גבוהה מיוצרים בחדר נקי תעשייתי ודורשים כימיקלים רעילים בתהליך ייצור רב-שלבי ועתיר אנרגיה. את החיישנים שפותחו בקיימברידג' ניתן לייצר בכל מקום ולהשתמש בחלק זעיר מהאנרגיה שדורשים חיישנים רגילים.
הסיבים הביו-אלקטרוניים, הניתנים לתיקון, ניתנים לניקוי פשוט כאשר הם מגיעים לסוף חייהם השימושיים, ומייצרים פחות ממיליגרם בודד של פסולת: לשם השוואה, עומס יחיד טיפוסי של כביסה מייצר בין 600 ל-1,500 מיליגרם של פסולת סיבים.
"באמצעות טכניקת הייצור הפשוטה שלנו, אנחנו יכולים לשים חיישנים כמעט בכל מקום ולתקן אותם איפה ומתי שהם צריכים את זה, מבלי להזדקק למכונת הדפסה גדולה או מתקן ייצור מרכזי", אמר הואנג. "ניתן לייצר את החיישנים האלה לפי דרישה, בדיוק היכן שצריך, ולהפיק פסולת ופליטות מינימליות."
החוקרים אומרים שהמכשירים שלהם יכולים לשמש ביישומים, החל בניטור בריאות ומציאות מדומה, ועד חקלאות מדויקת וניטור סביבתי. בעתיד, ניתן לשלב חומרים פונקציונליים אחרים בשיטת הדפסת סיבים זו, כדי לבנות חיישני סיבים משולבים להגדלת מערכות החיים עם פונקציות תצוגה, חישוב והמרת אנרגיה. המחקר ממוסחר בתמיכתה של Cambridge Enterprise, זרוע המסחור של האוניברסיטה.
המחקר נתמך בחלקו על ידי מועצת המחקר האירופית, Wellcome, החברה המלכותית, ומועצת המחקר למדעי הביוטכנולוגיה והביולוגיה (BBSRC), חלק מהמחקר והחדשנות של בריטניה (UKRI).
