Kůže je největším smyslovým orgánem a zároveň ochranným pláštěm člověka. „Cítí“ několik smyslových vstupů současně a hlásí mozku informace o vlhkosti, teplotě a tlaku. „Chytrá kůže“, vyvinutá Annou Marií Coclite, vítězkou grantu ERC a výzkumnou pracovnicí Ústavu fyziky pevných látek na Technologické univerzitě Graz v Rakousku, je velmi podobná té lidské.

Snímá tlak, vlhkost a teplotu současně a vytváří elektronické signály. Lze si tak představit citlivější roboty nebo inteligentnější protézy.

Citlivější než koneček prstu

Téměř šest let výzkumný tým pracoval na vývoji chytré kůže v rámci ERC projektu Smart Core. S 2000 jednotlivými senzory na čtvereční milimetr je hybridní materiál ještě citlivější než koneček lidského prstu. Každý z těchto senzorů se skládá z jedinečné kombinace materiálů – inteligentního polymeru ve formě hydrogelu uvnitř a pláště z piezoelektrického oxidu zinečnatého. „Hydrogel může absorbovat vodu a tak expandovat při změnách vlhkosti a teploty.

Přitom vyvíjí tlak na piezoelektrický oxid zinečnatý, který na toto a všechna ostatní mechanická namáhání reaguje elektrickým signálem,“ vysvětlila Coclite. Výsledkem je tenký materiál, který současně reaguje na sílu, vlhkost a teplotu s extrémně vysokým prostorovým rozlišením a vysílá odpovídající elektronické signály. .

Superschopnosti chytré kůže

První vzorky umělé kůže jsou tenké šest mikrometrů neboli 0,006 milimetru. Ale mohla by být ještě tenčí, jak říká Coclite. Pro srovnání, lidská pokožka má tloušťku 0,03 až 2 milimetry. Lidská kůže vnímá věci od velikosti zhruba jednoho milimetru čtverečního.

Chytrá kůže má rozlišení tisíc krát menší a dokáže registrovat předměty, které jsou pro lidskou pokožku příliš malé (např. mikroorganismy).

Svět v nanoměřítku

Jednotlivé senzorové vrstvy jsou velmi tenké a zároveň opatřeny senzorovými prvky pokrývajícími celou plochu. To bylo možné v celosvětově unikátním procesu, pro který výzkumníci poprvé zkombinovali tři známé metody z fyzikální chemie – chemickou depozici par pro hydrogelový materiál, atomovou vrstvu pro oxid zinečnatý a nanotiskovou litografii pro polymerní templát. Litografickou přípravu polymerové šablony měla na starosti výzkumná skupina „Hybridní elektronika a strukturování“ v čele s Barbarou Stadlober. Skupina je součástí Joanneum Research’s Materials Institute se sídlem ve Weizu.

Hybridní materiál a jeho využití

Pro hybridní materiál podobný kůži se nyní otevírá několik oblastí použití. Například ve zdravotnictví by senzorový materiál mohl samostatně detekovat mikroorganismy a podle toho je hlásit. V úvahu připadají i protézy, které nositeli podávají informace o teplotě či vlhkosti, nebo roboti, kteří dokážou své okolí vnímat citlivěji. Na cestě k aplikaci boduje chytrá kůže rozhodující výhodou neboli senzorické nanorody – „chytré jádro“ materiálu – jsou vyráběny pomocí výrobního procesu na bázi páry. Tento proces je již dobře zaveden například ve výrobních závodech pro integrované obvody. Výrobu chytré kůže tak lze snadno škálovat a implementovat do stávajících výrobních linek.