پوشیدنی‌های جذاب که جایگزین پوشاک خواهند شد/ پوست‌های الکترونیکی چه ویژگی‌هایی دارند؟

پوست بزرگترین عضو بدن و همچنین پیچیده ترین عضو بدن است. اگر زیر میکروسکوپ به پوست نگاه کنید، هزاران پایانه عصبی را می بینید که مغز را با جهان بیرون متصل نگه می دارند و به ما اجازه می دهند تا لمس، فشار و درد را احساس کنیم. اما ژنان بائو با نگاه کردن به پوست چیز دیگری می بیند. برای بائو، مهندس شیمی که روی ساخت پلیمرها کار می کند، پوست نه تنها یک اندام حسی است، بلکه همچنین یک ماده است. چیزی که به گفته ی او انعطاف پذیر ، کشسان، خودترمیم شونده و زیست تخریب پذیر است.

بائو در زمینه ی پوست الکترونیکی کار می کند و در تلاش است تا عملکردهای پوست انسان را برای استفاده در اندام های مصنوعی و رباتیک بازآفرینی کند. داشتن حس لامسه کیفیت زندگی افرادی را که از اندام مصنوعی استفاده می کنند، بهبود خواهد بخشید و آن ها را قادر خواهد ساخت تا قبل از اینکه آسیب ببینند، متوجه تیز بودن یا داغ بودن اجسام شوند.

زمانی که بائو در سال ۲۰۰۴ به دانشگاه استنفورد پیوست، پژوهشگران معدودی روی حسگرهای انعطاف پذیری کار می کردند که می توان آن را دور دست مصنوعی پیچید تا حس لامسه را تقلید کنند. تجربه ی قبلی بائو درزمینه ی نمایشگرهای انعطاف پذیر دراین زمینه برای او مفید بود. پس از چند سال تلاش، بائو و همکارانش در سال ۲۰۱۰، حسگر انعطاف پذیری را ساختند که به قدری حساس بود که می توانست لمس حاصل از پروانه ای را که روی آن می نشست، احساس کند. بائو می گوید: «ابزارهای الکترونیکی ما بسیار سخت، انعطاف ناپذیر و حجیم هستند. ولی اگر بتوانیم کاری کنیم که مانند پوست باشند، احتمالا نحوه تعامل و ارتباط انسان با وسایل الکترونیکی تغییر پیدا خواهد کرد.»

پوست که سد محافظ طبیعی را دربرابر محیط تشکیل می دهد، همچنین میتواند بعنوان رابط بین انسان و دستگاه ها عمل کند. بائو علاوه بر رباتیک و ساخت اندام مصنوعی، کاربردهای بالقوه ی دیگری برای پوست الکترونیکی در زمینه ی پوشیدنی ها می بیند. دستگاهی را تصور کنید که مانند پوست دومی روی بدن پوشیده می شود و از حسگرها برای اندازه گیری فشار خون (Blood pressure)، درجه حرارت یا سطح گلوکز و اکسیژن خون در لحظه استفاده می کند. بائو می گوید: «علاقه زيادي به پوشیدنی هایی وجود دارد که کاری بیشتر از اندازه گیری تعداد قدم ها یا شمارش ضربان قلب انجام دهند.»

اختراعی که در آزمایشگاه تحقیقاتی بائو در استنفورد حاصل شده است، میتواند در سال های آینده ساخته و در کارآزمایی های بالینی آزمایش شود.

استارتاپ PyrAmes در سیلیکون ولی که بائو یکی از بنیان گذاران آن است، درحال توسعه نوار نرمی است که دور مچ دست یا پا پیچانده می شود و می تواند برای پایش فشار خون نوزادان نارس در بخش مراقبت های ویژه مورد استفاده قرار گیرد. هدف از طراحی این نوار آن است که مانند کاتتر شریانی، جریان خون را بطور مداوم ثبت کند و نیاز به سوزن هایی را که با خطر عفونت و آسیب بافتی و عصبی همراه هستند، رفع کند. نوار به شکل بی سیم به تبلت وصل می شود تا در زمان واقعی بر تغییرات فشار خون نظارت کند.

برای چنین کاربردهایی، ابزارهای الکترونیکی باید از همان ابتدا انعطاف پذیر و کشسان باشند. در این راستا، تیم بائو رویکردی مولکولی برای طراحی پلیمرهای ارگانیک در پیش گرفته است.

پلمیر مولکول بزرگی است که از تعداد زیادی مونومر تکراری تشکیل شده است که مانند زنجیره طولانی از گیره های کاغذ به هم متصل شده اند. پژوهشگران با تغییر ساختار مونومرها میتوانند ماده را کشسان کنند و به گونه ای به آن شکل دهند که روی بدن و حتی درون بدن قرار گیرد.

بائو چندین سال است که روی ابزارهای الکترونیکی الهام گرفته از پوست کار می کند. از سال ۲۰۱۸، او به عنوان رئیس گروه مهندسی شیمی دانشگاه استنفورد کار می کند و ابتکار eWEAR را تأسیس و مدیریت می کند. ابتکار مذکور برنامه ای است که دانشمندانی را که روی علوم مواد، الکترونیک، سیستم ها، داده ها و پزشکی کار می کنند، گرد هم می آورد و آنها را با صنعت ارتباط می دهد. بائو درحال حاضر بیش از ۱۰۰ حق ثبت اختراع در آمريکا دارد که حسگری که پروانه را تشخیص می دهد، یکی از آن ها است.

بائو و همکارانش همچنین درحال کار روی مواد پلیمری برای نمایشگرهایی هستند که میتوانند کشیده شوند، تا بخورند و حتی تکه تکه شوند. در مارس ۲۰۲۲ پس از بیش از سه سال کار، آنها اثبات مفهومی را برای پلمیر ساطع کننده نور در مجله نیچر منتشر کردند که مانند رشته درون لامپ می درخشید. پژوهشگران نشان دادند که دستگاه آن ها را میتوان روی بند انگشت دست قرار داد و بدون پاره شدن، آن را تا دو برابر طولش کشید. بائو می گوید:« این نسخه کشسانی است که می تواند تغییرشکل پیدا کند.»

نمونه اولیه فقط میتواند تصویر ساکن و با وضوح پایینی را نشان دهد، اما این اختراع می تواند شالوده ای برای ساخت ابزارهای الکترونیکی پوشیدنی آینده باشد که علایم حیاتی را اندازه‌گیری کرده و نشان می دهند.

بائو می گوید کاربردهای بالقوه زيادي برای پوست الکترونیکی وجود دارد، ولی راه تجاری سازی طولانی است. با این حال، او روی ایده ساخت وسایل الکترونیکی تمرکز دارد که به شکل پروتز، پوشیدنی یا حتی دستگاه های کاشتنی به تشخیص بیماریها و مراقبت های بهداشتی کمک کنند.

او همچنین بر قدم ها و موفقیت های کوچک گروه پژوهشی اش در ساخت اجزای سازنده این دستگاه ها یعنی حسگرها، مدارها و مواد انعطاف پذیر، کشسان و زیست تجزیه پذیری که آنها را تشکیل می‌دهند، تمرکز دارد. بائو می گوید: «برای این که این حوزه بتواند پیشرفت کند و مسیر پایداری در پیش رو داشته باشد، باید بتوانیم کاربردهایی از آنرا در آینده نزدیک هم نشان دهیم.»