'전자거미줄'로 만든 감지할 수 없는 센서, 인간 피부에 직접 인쇄 가능

연구원들은 손가락이나 꽃잎 등 광범위한 생물학적 표면에 직접적으로 눈에 띄지 않게 인쇄할 수 있는 적응형 친환경 센서를 만드는 방법을 개발했습니다.

케임브리지 대학교 연구진이 개발한 이 방법은 다양한 표면에 접착되고 접착될 수 있는 거미줄에서 영감을 얻었습니다. 이러한 ‘거미줄’에는 생체전자공학도 통합되어 있어 다양한 감지 기능을 ‘웹’에 추가할 수 있습니다.

인간의 머리카락보다 최소 50배 작은 이 섬유는 매우 가볍기 때문에 연구자들은 구조를 붕괴시키지 않고 푹신한 민들레 씨앗 위에 직접 인쇄했습니다. 사람의 피부에 인쇄하면 섬유 센서가 피부에 맞춰 땀구멍을 노출시키므로 착용자는 그 존재를 감지하지 못합니다. 인간의 손가락에 인쇄된 섬유를 테스트한 결과 지속적인 건강 모니터로 사용될 수 있음이 나타났습니다.

생활 구조를 강화하기 위한 이 저폐기물 및 저배출 방법은 의료 및 가상 현실부터 전자 섬유 및 환경 모니터링에 이르기까지 다양한 분야에서 사용될 수 있습니다. 결과는 저널에 보고됩니다. 자연 전자.

인간의 피부는 매우 민감하지만 전자 센서로 피부를 강화하면 우리가 주변 세계와 상호 작용하는 방식이 근본적으로 바뀔 수 있습니다. 예를 들어, 피부에 직접 인쇄된 센서는 지속적인 건강 모니터링, 피부 감각 이해에 사용될 수 있거나 게임이나 가상 현실 애플리케이션에서 ‘현실’ 감각을 향상시킬 수 있습니다.

스마트워치와 같이 센서가 내장된 웨어러블 기술이 널리 보급되어 있지만 이러한 장치는 불편하고 눈에 띄며 피부의 고유 감각을 억제할 수 있습니다.

연구를 주도한 케임브리지 공과대학의 Yan Yan Shery Huang 교수는 “피부나 잎과 같은 생물학적 표면에 있는 무엇이든 정확하게 감지하려면 장치와 표면 사이의 인터페이스가 필수적입니다.”라고 말했습니다. “우리는 또한 사용자가 전혀 감지할 수 없는 생체 전자 공학을 원합니다. 따라서 사용자가 세상과 상호 작용하는 방식을 어떤 식으로든 방해하지 않으며 지속 가능하고 폐기물이 적기를 원합니다.”

웨어러블 센서를 만드는 방법에는 여러 가지가 있지만 모두 단점이 있습니다. 예를 들어 유연한 전자 장치는 일반적으로 가스나 습기가 통과하지 못하는 플라스틱 필름에 인쇄되므로 마치 접착 필름으로 피부를 감싸는 것과 같습니다. 다른 연구자들은 최근 인공 피부처럼 가스 투과성이 있는 유연한 전자 장치를 개발했지만 여전히 정상적인 감각을 방해하고 에너지 및 폐기물 집약적인 제조 기술에 의존합니다.

3D 프린팅은 다른 생산 방법보다 낭비가 적지만 정상적인 동작을 방해할 수 있는 장치가 더 두꺼워지기 때문에 생체전자공학을 위한 또 다른 잠재적 경로입니다. 전자 섬유를 회전시키면 사용자가 감지할 수 없는 장치가 만들어지지만 높은 수준의 민감도나 정교함이 없고 문제의 물체에 전달하기가 어렵습니다.

이제 케임브리지가 이끄는 팀은 손가락 끝부터 푹신한 민들레 씨앗까지 광범위한 생물학적 표면에 직접 인쇄하여 맞춤화할 수 있는 고성능 생체전자공학을 만드는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들의 기술은 최소한의 재료를 사용하여 환경에 적응하는 정교하고 강력한 거미줄 구조를 만드는 거미에게서 부분적으로 영감을 얻었습니다.

연구자들은 PEDOT:PSS(생체적합성 전도성 폴리머), 히알루론산 및 폴리에틸렌 옥사이드로부터 생체전자공학 ‘거미줄’을 뽑아냈습니다. 고성능 섬유는 실온의 수성 용액에서 생산되었으며, 이를 통해 연구원들은 섬유의 ‘방사성’을 제어할 수 있었습니다. 그런 다음 연구원들은 섬유가 지문과 같은 미세 구조까지 살아있는 표면으로 변형될 수 있도록 궤도 회전 접근 방식을 설계했습니다.

인간의 손가락과 민들레 씨앗 머리를 포함한 표면에서 생체 전자 섬유를 테스트한 결과, 호스트가 감지할 수 없는 상태를 유지하면서 고품질 센서 성능을 제공하는 것으로 나타났습니다.

논문의 첫 번째 저자인 Andy Wang은 “우리의 회전 방식을 사용하면 이미지 인식 없이 생체전자 섬유가 미시 및 거시 규모 모두에서 다양한 모양의 해부학적 구조를 따라갈 수 있습니다.”라고 말했습니다. “이것은 지속 가능한 전자 장치와 센서를 만드는 방법에 대해 완전히 다른 각도를 열어줍니다. 이는 넓은 면적의 센서를 생산하는 훨씬 쉬운 방법입니다.”

대부분의 고해상도 센서는 산업용 클린룸에서 제작되며 다단계 및 에너지 집약적 제조 공정에서 독성 화학 물질이 필요합니다. Cambridge에서 개발한 센서는 어디에서나 제작할 수 있으며 일반 센서에 필요한 에너지의 아주 작은 부분만 사용합니다.

수리가 가능한 생체전자 섬유는 유효 수명이 끝나면 간단히 씻어낼 수 있으며 1mg 미만의 폐기물을 생성합니다. 이에 비해 일반적인 단일 세탁물은 600~1500mg의 폐기물을 생성합니다. 섬유 폐기물.

Huang은 “우리의 간단한 제조 기술을 사용하여 거의 모든 곳에 센서를 배치하고 필요할 때 언제 어디서나 수리할 수 있습니다”라고 말했습니다. “이러한 센서는 주문형으로 필요한 곳에 바로 제작할 수 있으며 폐기물과 배출을 최소화합니다.”

연구원들은 그들의 장치가 건강 모니터링 및 가상 현실에서부터 정밀 농업 및 환경 모니터링에 이르기까지 다양한 응용 분야에 사용될 수 있다고 말합니다. 미래에는 다른 기능성 재료를 이 섬유 인쇄 방법에 통합하여 디스플레이, 계산 및 에너지 변환 기능으로 생활 시스템을 강화하기 위한 통합 섬유 센서를 구축할 수 있습니다. 이 연구는 대학의 상용화 부서인 Cambridge Enterprise의 지원을 받아 상용화되고 있습니다.

이 연구는 유럽연구위원회(European Research Council), 웰컴(Wellcome), 왕립학회(Royal Society), 영국 연구혁신(UKRI)의 일부인 생명공학 및 생물과학 연구위원회(BBSRC)의 일부 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/05/240524115309.htm