To będzie rewolucja. Naukowcy pracują nad sztuczną skórą rodem z Westworld
Grupa naukowców z Uniwersytetu Stanforda pod kierownictwem profesor Zhenan Bao wciąż pracuje nad swoim prototypem sztucznej skóry wrażliwej na dotyk i temperaturę. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, protezy przyszłości będą praktycznie nie do odróżnienia od naturalnych kończyn.
Profesor Bao zajmowała się wcześniej projektowaniem akumulatorów i była ekspertem w tej dziedzinie. Jak sama tłumaczy, zmiana jej naukowych zainteresować została spowodowana chęcią niesienia pomocy ludziom korzystającym z protez.
W samych Stanach Zjednoczonych żyje aktualnie ok. 2 mln ludzi, którzy na co dzień korzystają z jakiegoś rodzaju protezy kończyny. Niezależnie od ich rodzaju i stopnia skomplikowania, wszystkie protezy dostępne na rynku mają jedną cechę wspólną: brak czucia.
Czujniki komunikujące się bezpośrednio z naszym układem nerwowym przestały być fikcją
Za kilka lat sytuacja ta prawdopodobnie ulegnie diametralnej zmianie. Wiemy już, jak tworzyć protezy kończyn sterowane myślą, których sterowanie nie różni się zbytnio od wykonywania ruchów naturalną kończyną. Bezpośrednie połączenie z naszym układem nerwowym pozwala również na przesyłanie informacji dotyczących temperatury dotykanych obiektów, czy stopnia nacisku wywieranego przez naszą protezę.
Jedynym brakującym elementem tej „dotykowej układanki” była sztuczna skóra, która byłaby w stanie zamieniać uczucie dotyku na zrozumiały dla naszego układu nerwowego sygnał elektryczny. Profesor Bao i jej zespołowi udało się stworzyć prototyp takiego materiału, który posiada trzy kluczowe cechy:
- Jest elastyczny i rozciągliwy.
- Jest w stanie zmierzyć takie parametry jak siła nacisku na obiekt i jego temperaturę.
- Potrafi zamienić te informacje w sygnał zrozumiały dla naszego układu nerwowego.
Wypisane w punktach powyższe właściwości wydają się w miarę proste do osiągnięcia. W praktyce jednak stworzenie takiego materiału okazało się nie lada wyzwaniem. Do stworzenia sztucznej skóry, zespół profesor Bao wykorzystał Poli(dimetylosiloksan).
Główną wadą tego polimeru jest to, że czas powrotu jego molekuł do pierwotnego ułożenia jest bardzo długi. To nie lada problem, jeśli PDMS ma być wykorzystywany do pomiarów stopnia nacisku, który przecież może zmieniać się błyskawicznie.
Rozwiązaniem zaproponowanym przez zespół naukowców z Uniwersytetu Stanforda było pokrycie polimeru mikrowłóknami o piramidalnej strukturze, które są ok. stukrotnie cieńsze od ludzkiego włosa. Ich przewodnictwo elektryczne zmienia się pod wpływem zmiany temperatury. Na dotyk (dzięki czemu sztuczna skóra potrafi mierzyć siłę nacisku) reagują z kolei zmianą swojej struktury.
Pod warstwą uzbrojoną w mikrowłókna, znajduje się kolejna, wyposażona w zaprojektowane przez naukowców z Uniwersytetu Stanforda obwody elektryczne, które są w stanie przetwarzać sygnał otrzymywany z mikroczujników i zamieniać go na impulsy elektryczne zrozumiałe dla naszego układu nerwowego.
Jak na razie zespół profesor Bao pracuje nad udoskonaleniem swojego prototypu. Zdaniem naukowców udoskonalenie tej technologii, tak aby mogła trafić ona do masowej produkcji i codziennego użytku zajmie jeszcze kilka lat. Jednym z kluczowych problemów tego projektu jest chociażby to, że do poprawnego działania sztuczna skóra z Uniwersytetu Stanforda wymaga napięcia 20 V.
Sztuczna skóra to nie tylko „czułe” protezy.
Sztuczna skóra nad którą pracuje Zhenan Bao może zostać wykorzystana do produkcji super-czułych narzędzi chirurgicznych oraz bardzo precyzyjnych robotów. Ludzki zmysł dotyku rozpoznaje nacisk rzędu kilopascala. Polimerowa powłoka jest w stanie „zejść” do tysiąckrotnie mniejszego rzędu wielkości i rejestrować zmiany na poziomie pojedynczych pascali.
Taka „dokładność” pozwoliłaby na osiągnięcie o wiele większej precyzji przez roboty chirurgiczne i inne maszyny wykorzystywane do bardzo precyzyjnych zadań, gdzie margines błędu jest bardzo mały.
Czujniki dotyku oparte o tak dokładną, sztuczną powłokę mogłyby być również stosowane w samochodowych systemach bezpieczeństwa. Bao podaje tutaj doskonały przykład czujników zamontowanych na kierownicy samochodowej. W przypadku zasłabnięcia kierowcy, jego chwyt na kierownicy słabnie (lub w ogóle znika, jeśli ją puści) – w tej sytuacji uruchomienie autonomicznego systemu prowadzenia to kwestia kilku setnych sekundy.
Zhenan Bao i jej zespół z Uniwersytetu Stanforda pracują nad udoskonaleniem swojej powłoki od 2010 r. W tym roku za swoją pracę nad „elektronicznymi materiałami inspirowanymi skórą” profesor Zhenan Bao otrzymała nagrodę w wysokości 100 tys. euro w ramach programu L'Oréal-UNESCO For Women in Science Awards.
Nie jest to jednak jedyny prototyp powłoki wrażliwej na dotyk.
Nad podobnym rozwiązaniem pracuje też profesor Ali Javey z Uniwersytetu w Berkeley w Kalifornii. Jego konstrukcja opiera się na szeregu tranzystorów połączonych nanokablami, które umieszczono pod powłoką wykonaną z przewodzącej elektryczność gumy. Takie rozwiązanie wymaga o wiele mniejszego napięcia, jednak nie jest aż tak dokładne jak powłoka profesor Bao.
