پوست‌های الکترونیکی؛ پوشاک آینده

پوست بزرگ‌ترین عضو بدن و همچنین پیچیده‌ترین عضو بدن است. اگر زیر میکروسکوپ به پوست نگاه کنید، هزاران پایانه عصبی را می‌بینید که مغز را با جهان بیرون متصل نگه می‌دارند و به ما اجازه می‌دهند تا لمس، فشار و درد را احساس کنیم. اما ژنان بائو با نگاه کردن به پوست چیز دیگری می‌بیند. برای بائو، مهندس شیمی که روی ساخت پلیمرها کار می‌کند، پوست نه تنها یک اندام حسی است، بلکه همچنین یک ماده است. چیزی که به‌گفته‌ی او انعطاف‌پذیر، کشسان، خودترمیم‌شونده و زیست‌تخریب‌پذیر است.

بائو در زمینه‌ی پوست الکترونیکی کار می‌کند و در تلاش است تا عملکردهای پوست انسان را برای استفاده در اندام‌های مصنوعی و رباتیک بازآفرینی کند. داشتن حس لامسه کیفیت زندگی افرادی را که از اندام مصنوعی استفاده می‌کنند، بهبود خواهد بخشید و آن‌ها 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 انعطاف‌پذیری کار می‌کردند که می‌توان آن را دور دست مصنوعی پیچید تا حس لامسه را تقلید کنند. تجربه‌ی قبلی بائو درزمینه‌ی‌ نمایشگرهای انعطاف‌پذیر دراین‌زمینه برای او مفید بود. پس از چند سال تلاش، بائو و همکارانش در سال ۲۰۱۰، حسگر انعطاف‌پذیری را ساختند که به قدری حساس بود که می‌توانست لمس حاصل از پروانه‌ای را که روی آن می‌نشست، احساس کند. بائو می‌گوید: «ابزارهای الکترونیکی ما بسیار سخت، انعطاف‌ناپذیر و حجیم هستند. اما 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 می‌دهد، همچنین می‌تواند به‌عنوان رابط بین انسان و دستگاه‌ها عمل کند. بائو علاوه بر رباتیک و ساخت اندام مصنوعی، کاربردهای بالقوه‌ی دیگری برای پوست الکترونیکی در زمینه‌ی پوشیدنی‌ها می‌بیند. دستگاهی را تصور کنید که مانند پوست دومی روی بدن پوشیده می‌شود و از حسگرها برای اندازه‌گیری فشار خون، درجه حرارت یا سطح گلوکز و اکسیژن خون در لحظه استفاده می‌کند. بائو می‌گوید: «علاقه زیادی به پوشیدنی‌هایی وجود دارد که کاری بیشتر از اندازه‌گیری تعداد قدم‌ها یا شمارش ضربان قلب انجام دهند.»

اختراعی که در آزمایشگاه تحقیقاتی بائو در استنفورد حاصل شده است، می‌تواند در سال‌های آینده ساخته و در کارآزمایی‌های بالینی آزمایش شود.

استارتاپ PyrAmes در سیلیکون‌ولی که بائو یکی از بنیان‌گذاران آن است، درحال توسعه نوار نرمی است که دور مچ دست یا پا پیچانده می‌شود و می‌تواند برای پایش فشار خون نوزادان نارس در بخش مراقبت‌های ویژه مورد استفاده قرار گیرد. هدف از طراحی این نوار آن است که مانند کاتتر شریانی، جریان خون را به‌طور مداوم ثبت کند و نیاز به سوزن‌هایی را که با خطر عفونت و آسیب بافتی و عصبی همراه هستند، رفع کند. نوار به شکل بی‌سیم به تبلت وصل می‌شود تا در زمان واقعی بر تغییرات فشار خون نظارت کند.

برای چنین کاربردهایی، ابزارهای الکترونیکی باید از همان ابتدا انعطاف‌پذیر 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 گیره‌های کاغذ به هم متصل شده‌اند. پژوهشگران با تغییر ساختار مونومرها می‌توانند ماده را کشسان کنند و به‌گونه‌ای به آن شکل دهند که روی بدن و حتی درون بدن قرار گیرد.

بائو چندین سال است که روی ابزارهای الکترونیکی الهام‌گرفته از پوست کار می‌کند. از سال ۲۰۱۸، او به‌عنوان رئیس گروه مهندسی شیمی دانشگاه استنفورد کار می‌کند و ابتکار eWEAR را تأسیس و مدیریت می‌کند. ابتکار مذکور برنامه‌ای است که دانشمندانی را که روی علوم مواد، الکترونیک، سیستم‌ها، داده‌ها و پزشکی کار می‌کنند، گرد هم می‌آورد و آن‌ها را با صنعت ارتباط می‌دهد. بائو درحال‌حاضر بیش از ۱۰۰ حق ثبت‌ اختراع در ایالات متحده دارد که حسگری که پروانه را تشخیص می‌دهد، یکی از آن‌ها است.

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

نمونه اولیه فقط می‌تواند تصویر ساکن و با وضوح پایینی را نشان دهد، اما این اختراع می‌تواند شالوده‌ای برای ساخت ابزارهای الکترونیکی پوشیدنی آینده باشد که علائم حیاتی را اندازه‌گیری کرده و نشان می‌دهند.

بائو می‌گوید کاربردهای بالقوه زیادی برای پوست الکترونیکی وجود دارد، اما راه تجاری‌سازی طولانی است. با این‌حال، او روی ایده ساخت وسایل الکترونیکی تمرکز دارد که به شکل پروتز، پوشیدنی‌ یا حتی دستگاه‌های کاشتنی به تشخیص بیماری‌ها و مراقبت‌های بهداشتی کمک کنند.

او همچنین بر قدم‌ها و موفقیت‌های کوچک گروه پژوهشی‌اش در ساخت اجزای سازنده این دستگاه‌ها یعنی حسگرها، مدارها و مواد انعطاف‌پذیر، کشسان و زیست‌تجزیه‌پذیری که آن‌ها را تشکیل می‌دهند، تمرکز دارد. بائو می‌گوید: «برای اینکه این حوزه بتواند پیشرفت کند و مسیر پایداری در پیش رو داشته باشد، باید بتوانیم کاربردهایی از آن را در آینده نزدیک هم نشان دهیم.»