Искусственную фоточувствительную кожу научили работать от моргания

Y. Dai et al./ Advanced Functional Materials, 2018

Китайские ученые разработали искусственную светочувствительную кожу, которая способна работать автономно за счет энергии колебаний, например, при ходьбе или при моргании глаз. Такое устройство, собранное из полимерного композитного материала, можно напрямую соединить с головным мозгом и использовать в качестве искусственной сетчатки глаза, говорится в статье, опубликованной в Advanced Functional Materials.

Создание искусственных устройств, которые могут заменять органы чувств — актуальная задача как для медиков (при разработке протезов или искусственных органов), так и в контексте развития носимой электроники. Одна из основных сложностей при создании таких устройств состоит в том, что они должны помимо чувствительного элемента содержать источник питания для автономной работы и систему передачи сигнала в мозг. Сейчас многие подобные технологии существуют, однако в коммерческое производство они внедряются очень медленно именно из-за своей сложной структуры и высокой цены. 

Ученые под руководством Синьюя Сюэ (Xinyu Xue) из Северо-восточного университета (КНР) разработали новый метод создания электронной светочувствительной кожи, которую можно использовать в качестве искусственной сетчатки и подключать непосредственно к мозгу. Основным элементом этого устройства стал полимерный композитный материал, нанесенный несколькими слоями на медную подложку. Состоит этот материал из слоя диэлектрического эластомера полидиметилсилоксана, покрытого слоем проводящего полимера полипиррола, в котором сделаны круглые отверстия. При изгибании материала за счет трибоэлектрического эффекта на вертикальных границах полидиметилсилоксана и полипиррола происходит разделение носителей заряда, в результате чего при замыкании цепи по ней начинает течь электрический ток, который при этом еще и меняется при облучении полипиррола светом. Таким образом, этот элемент одновременно выполняет функции и источника энергии, и фоточувствительного детектора.

Полностью светочувствительное устройство состоит из нескольких таких трибоэлектрических ячеек, каждая из которых служит одним пикселем светочувствительной матрицы размером 4 на 4 или 8 на 8. Между собой эти «пиксели» соединяются с помощью проводящих медных элементов, после чего все это устройство можно прикрепить к коже и присоединить с помощью электрода к головному мозгу. Такая матрица может детектировать попадание на нее света в ультрафиолетовой и видимой области спектра как от одного, так и от нескольких источников и потенциально может применяться и для распознавания изображений.

Для активации устройства в нем необходимо запустить трибоэлектрический сигнал, для которого достаточно небольшого механического движения. Ученые показали, что для получения нужного сигнала достаточно даже моргания глаз.

Работоспособность предложенного устройства ученые проверили с помощью стимулирования первичной моторной коры головного мозга мыши. Для этого стимулирующий электрод, который получал сигнал от пяти параллельно соединенных устройств, подсоединялся к нужной точке первичной моторной коры, и информацию о том, что сигнал от устройства дошел до мыши, ученые получали по движению хвоста животного. Если трибоэлектрический сигнал был слабым, то животное оставалась неподвижным, однако при увеличении интенсивности ультрафиолетового излучения, попадающего на детектор, хвост мыши поднимался вверх.

Авторы исследования отмечают, что хотя предложенная ими технология требует значительных доработок, она может значительно снизить стоимость искусственной сетчатки. В первую очередь, это связано с простотой предложенных устройств относительно тех вариантов, которые внедряют в медицинские технологии сейчас, а также возможности автономной работы за счет трибоэлектрического эффекта. 

Разработкой бионических протезов сетчатки уже сейчас занимаются несколько крупных компаний. Например, в 2017 году компания Second Sight получила право на проведение клинические испытаний бионических имплантатов для восстановления частично или полностью потерянного зрения. Еще раньше успешные лабораторные испытания имплантатов сетчатки провела компания Pixium Vision, которая уже в 2016 году приступила к долговременному клиническому тестированию своей технологии.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.