Kunstmatige huid laat robots zweten en wonden genezen (Video)

De generator rechts maakt radiosignalen en stuurt ze naar de coating aan de linkerkant. De vloeibare kristalmoleculen in het materiaal draaien daardoor mee met de bewegingsrichting van de golven. Ze wringen daarmee de vloeistof uit de poriën. Dit is zichtbaar in de linkerbovenhoek van de afbeelding; een microscopisch beeld gemeten met digitale holografische microscopie. Foto: Danqing Liu

TU/e-onderzoeker Danqing Liu en haar promovendus Yuanyuan Zhan halen hun inspiratie uit de werking van de huid van mensen en dieren. De menselijke huid scheidt olie af om zich te verdedigen tegen bacteriën, en zweet om de lichaamstemperatuur te reguleren. Een vis scheidt slijm af van zijn huid om de wrijving van het water te verminderen en zo sneller te kunnen zwemmen. Liu presenteert nu een kunstmatige huid die óók vloeistoffen kan afscheiden. Een slim oppervlak dat actief en herhaaldelijk stoffen kan afgeven en weer kan opnemen onder omgevingsstimuli, in dit geval radiogolven. En dat is bijzonder, want op het gebied van slimme materialen zijn de meeste benaderingen tot nu toe beperkt tot passieve afgifte.

De mogelijke toepassingen zijn talrijk. Verbanden met dit soort materiaal kunnen de toediening van medicijnen reguleren. Om zo een medicijn op afroep en over een langere tijd af te geven én vervolgens met een ander medicijn te ‘herladen’. Robots kunnen de kunstmatige huid gebruiken om te ‘zweten’ en zo hun systemen te koelen, waardoor er minder zware ventilatoren nodig zijn in hun apparatuur. Machines kunnen smeermiddel afgeven aan mechanische onderdelen, precies wanneer dat nodig is. Het materiaal kan zelfs ingebouwd worden in de controllers voor virtual reality, die daardoor nat of droog worden en zo de perceptie voor de speler verbeteren.

Vloeistof wordt uitgewrongen als een spons
De basis van het materiaal, de coating, is gemaakt van vloeibare kristalmoleculen, bekend van LCD-schermen. Deze moleculen hebben zogenaamde responsieve eigenschappen. Liu: “Het werkt als communicatiemateriaal. Het communiceert met zijn omgeving en reageert op prikkels.” Met haar team ontdekte ze dat de vloeibare kristalmoleculen reageren op radiogolven. Zodra de golven worden aangezet, draaien de moleculen mee met de bewegingsrichting van de golven.

Met die kennis hebben Liu en haar team besloten om talrijke poriën ter grootte van een micrometer in de coating te plaatsen. Eenmaal gevuld met de gewenste vloeistof werkt het systeem als een spons. “Als de radiogolven worden aangezet, bewegen de vloeibare kristalmoleculen zich in een bepaalde richting en wringen ze zo de vloeistof uit de poriën”, legt Liu uit. Ze vervolgt: “De coating zweet zelfs meer naarmate het radiosignaal sterker wordt.”

De reabsorptie-eigenschappen maken dit materiaal nog specialer. Een geïntegreerde capillaire functie kan de druppels op het oppervlak binnen enkele seconden weer absorberen. Liu: “Met deze functie kunnen we oppervlakken maken die op commando ‘nat’ of ‘droog’ kunnen zijn, bijvoorbeeld om de mate van smering of oppervlaktehechting te variëren.

Veilig om aan te raken
Liu werkte al eerder met triggers als warmte, licht en elektriciteit om haar materiaal aan en uit te schakelen. Maar radiosignalen zijn een primeur: “In mijn vakgebied van de materiaalkunde gebruiken we vaak dezelfde elektriciteit als in huizen (50-60 Hz), maar deze frequentie is dodelijk om aan te raken. Omdat we het materiaal willen toepassen op robots en verbandmiddelen, moesten we een materiaal ontwikkelen dat veilig is om mee om te gaan”. Daarom maakt Liu gebruik van radiofrequente wisselende elektrische velden (20 kHz tot 300 GHz), vergelijkbaar met een Wi-Fi-signaal, een laag-energetische en niet-ioniserende straling.

“De hoge frequentie die we gebruiken is uitgevonden voor de elektrische auto. Het kan niet door het lichaam heen dringen, en daarom is het volkomen veilig om aan te raken. Het is al een veel voorkomende frequentie in de gezondheidszorg, bijvoorbeeld in elektrische therapieën.” Veiligheid is echter niet het enige voordeel van het gebruik van radiosignalen. Dit type triggers kan ook direct in robotapparatuur worden geïntegreerd, omdat deze al op hoogfrequente elektriciteit werkt.

Radiogolven met licht gecombineerd
De volgende stap voor Liu en haar team is het laden van de poriën met vloeistoffen zoals antibiotica, glijmiddel of alcohol. Liu: “We hopen deze zomer grote stappen te zetten voor die fase.” Als dat lukt, zal het herladen de volgende fase zijn, die waarschijnlijk drie jaar zal duren. Liu schat dat ze tegen 2025 een eerste model van een verband heeft ontwikkeld. “Het bouwen van een robot met een kunstmatige huid zal waarschijnlijk veel langer duren. Naast ons eigen vakgebied van de materiaalkunde hebben we daarvoor namelijk ook ingenieurs nodig om ons te helpen bij het ontwerpen van het lichaam van de robot”.

Als een parallel project probeert Liu verschillende triggers te combineren. “Als we UV-licht en radiogolven kunnen combineren, zou het mogelijk zijn om in de toepassing zelf de best passende stimulans te kiezen. Het materiaal kan dan bijvoorbeeld stoffen uitscheiden op basis van zonlicht, maar als de zon onder gaat, schakelen we over op radiogolven.” 

In de video zie je hoe de coating zijn vloeistof afgeeft, veroorzaakt door radiosignalen. Het gele materiaal rechtsonder in de video is de coating. Dit materiaal is ‘geladen’ met een kleurloze vloeistof. Na het inschakelen van het radiosignaal, zoals zichtbaar aan de bovenkant van de video, begint de coating deze vloeistof af te geven. Om de afgifte zichtbaar te maken, hebben de onderzoekers ervoor gezorgd dat er bij contact met de vloeistof in de beker een chemische reactie start. Deze reactie maakt het transparante water geleidelijk rood. Video: Danqing Liu