Ingenieurs maken kunstmatige huid van nanodraden

Ingenieurs aan de University of California, Berkeley hebben een druk-gevoelig elektronisch materiaal ontwikkeld waarmee artificiële huid kan maken. Het materiaal is gemaakt van halfgeleidende nanodraadjes. De doelstelling van dit onderzoek was om een materiaal te ontwikkelen die dezelfde functies kan vervullen als de menselijke huid. Onder functies verstaat men niet alle functies van de menselijke huid, maar voornamelijk de mogelijkheid om te voelen en andere objecten aan te raken. Het materiaal kreeg dan ook de naam "Artificial Skin" of ook wel "e-skin". Dit is de eerste keer dat men er in slaagt om een dergelijk materiaal te maken van anorganisch éénkristal halfgeleidermateriaal. Bij vorige pogingen om kunstmatige huid te ontwikkelen, maakte men steeds gebruik van organische materialen omdat deze in het algemeen flexibeler zijn en gemakkelijker om mee te werken.

Het probleem met organische materialen is dat deze niet ideaal zijn om te gebruiken als halfgeleidermateriaal. Dit leidt er toe dat de elektronische toestellen die gemaakt worden met deze organische materialen gebruik moeten maken van hoge spanningen. Maar de anorganische materialen, zoals bijvoorbeeld silicium, zijn wel ideaal als halfgeleidermateriaal. En de elektronische toestellen gemaakt van deze materialen werken met lage spanningen. Daarnaast zijn de anorganische materialen ook chemisch stabieler. Maar de anorganische materialen, die men kan gebruiken als halfgeleidermaterialen, zijn steeds stijf en bros, dus deze kunnen gemakkelijk kraken. Maar sinds onlangs heeft men een manier gevonden om deze materialen toch flexibel te maken. Want wanneer men geminiaturiseerde stroken of draden, gemaakt van deze anorganische halfgeleidermaterialen, te gebruiken kan men er wel flexibele elektronische toestellen of sensoren van maken. Deze geminiaturiseerde stroken of draden worden ook wel nanodraadjes genoemd. De onderzoekers maakte gebruikt van een innovatieve productie techniek voor de fabricage van deze materialen. De techniek is simplistisch gezien te vergelijken met een kledingroller maar dan omgekeerd. Een kledingroller is een instrument om kleding te ontdoen van pluisjes, stof en (huisdier-)haren. Het bestaat simpelweg uit een handvat en een roller, die voorzien is van een plaklaag. Hier bij deze fabricage van deze materialen zorgt de roller dat er haartjes van het anorganische nanodraadjes gelijkmatig verdeeld worden tijdens het rollen.

De fabricage begint met het maken van het halfgeleidermateriaal, silicium-germanium nanodraadjes, deze worden gemaakt op de omtrek van een cilinder. Daarna worden de gevormde nanodraadjes over-gerold op een kleverige ondergrond. De ondergrond die men gebruikte was gemaakt van een kunststoffen (polyimide) film maar er kan eigenlijk evengoed een ander materiaal zoals papier of glas gebruiken hiervoor. Wanneer men met de roller over de ondergrond rolt, dan worden de nanodraadjes op deze ondergrond aangebracht volgens een bepaald geordend patroon. Dit vormt dan de basis waarmee dunne en flexibele vellen elektronisch materiaal gemaakt kunnen worden. De onderzoekers probeerden ook een ander productie proces uit waarbij er geen roller nodig is maar daar worden de silicium-germanium nanodraadjes gemaakt op een vlakke ondergrond. Voor de nanodraadjes over te brengen op de polyimide film, wrijft men de vlakke ondergrond met de nanodraadjes op, over de film in een bepaalde richting, die het geordend patroon bepaald.

De ingenieurs hebben dergelijke nanodraadjes op een vierkante 18-op-19 pixel matrix geprint. In totaal was deze dan 7 op 7 centimeter groot. Elke pixel bestond uit een transistor gemaakt van honderden halfgeleidende nanodraadjes. Deze transistors werden uitgerust met een druk-gevoelig rubber bovenop de transistor. Deze rubber zorgt ervoor dat de transistors kunnen voelen. Deze matrix werkte op een spanning van minder 5 volt en zelfs na meer dan 2000 buig-cycli behield de matrix zijn robuustheid en bleef functioneren. Via deze testen konden de onderzoekers aantonen dat het mogelijk is om met deze technologie, toegepast op dit prototype, mogelijk was om drukken de voelen tussen de 0 en 15 kilopascal. Deze drukken zijn vergelijkbaar met degene die uitgeoefend worden tijdens het type of wanneer men een licht object vasthoudt. Deze technologie kan zeker verder op grotere schalen toegepast worden. Want hier bij het maken van het prototype waren de onderzoekers beperkt in grootte door de grote van de roller die gebruikt werd.

Een 'aanraakgevoelig' kunstmatig materiaal zou heel erg welkom zijn in de wereld van de robotica. De huidige robots kunnen meestal de kracht waarmee ze objecten vastnemen en 'manipuleren' niet aanpassen aan verschillende objecten. En degene waarvan de kracht wel aanpasbaar is, kan dit maar voor een beperkt aantal objecten. Mensen weten bijna automatisch hoeveel kracht ze mogen gebruiken voor het vasthouden van een ei zonder dat het ei zou breken. Indien men een robot zou maken die de vaat kan in- en uitladen uit een vaatwasmachine, dan heeft men al snel met dit probleem te maken. Want deze robot moet zware kookpotten en dergelijke kunnen vasthouden zonder deze te laten vallen. Maar daarnaast moet de robot ook wijnglazen, die erg breekbaar zijn, vastgrijpen zonder dat deze stuk gaan. Maar met deze druk-gevoelige kunstmatige huid zou dit probleem opgelost kunnen worden, zodat de grijpkracht van de robots zich kan aanpassen aan het object, en dit voor een hele reeks objecten.

Op langere termijn heeft dit onderzoeksproject nog een andere doelstelling. Namelijk om deze e-skin verder te gaan ontwikkelen zodat deze gebruikt kan worden om de tastzin van de patiënten met prothetische ledematen te 'herstellen'. Dit vereist natuurlijk wel nog een aanzienlijke vooruitgang in het mogelijk maken van de integratie van elektronische sensoren in het menselijk zenuwstelsel.

Via [berkeley]