Hydrożele mogą generować napięcie po dotknięciu, ale do tej pory naukowcy nie wiedzieli dokładnie, jak to się dzieje. Przełom nastąpił dzięki pracom naukowców z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej (UBC), które zostały opublikowane w Science.
Zasada działania czujników hydrożelowych polega na tym, że wytwarzają one napięcie i prąd w reakcji na bodźce, takie jak nacisk lub dotyk – co nazywamy efektem piezoelektrycznym. Ale nie wiedzieliśmy dokładnie, jak te napięcia są wytwarzane.Yuta Dobashi z UBC
Naukowcy opracowali hydrożelowe czujniki zawierające sole z dodatnimi i ujemnymi jonami o różnych rozmiarach. Zastosowali pole magnetyczne, aby dokładnie śledzić ich ruch pod wpływem wywieranego nacisku.
Kiedy na żel wywierany jest nacisk, ciśnienie to rozprzestrzenia jony w cieczy z różnymi prędkościami, tworząc sygnał elektryczny. Jony dodatnie, które są zwykle mniejsze, poruszają się szybciej niż większe jony ujemne. Powoduje to nierównomierne rozłożenie jonów, co z kolei wytwarza pole elektryczne, które jest podstawą działania czujnika piezoelektrycznego.Yuta Dobashi
Najnowsze badania potwierdziły, że hydrożele działają w sposób podobny do tego, jak człowiek odbierający ciśnienie, czyli poprzez przemieszczanie jonów w odpowiedzi na nacisk. Ta obserwacja może posłużyć do stworzenia jeszcze lepszych skór jonowych.
Oczywistym zastosowaniem jest tworzenie czujników, które oddziałują bezpośrednio z komórkami i układem nerwowym, ponieważ napięcia, prądy i czasy reakcji są podobne do tych, które występują w błonach komórkowych. Kiedy podłączymy nasz czujnik do nerwu, wytwarza on w nim sygnał. Nerw z kolei aktywuje skurcz mięśnia. Można sobie wyobrazić protezę ramienia pokrytą skórą jonową. Wyczuwa ona przedmiot poprzez dotyk lub nacisk, przekazuje tę informację przez nerwy do mózgu, a mózg aktywuje silniki potrzebne do podniesienia lub przytrzymania przedmiotu. Wraz z dalszym rozwojem skóry sensorycznej i interfejsów z nerwami, taki bioniczny interfejs jest możliwy.Dr John Madden z UBC
Hydrożelowa skóra jonowa może znaleźć zastosowanie także w ubieralnych czujnikach, które będą monitorować parametry życiowe pacjenta. Naukowcy zwiastują nawet nadejście ery “jonotroniki”. Rynek inteligentnych skór osiągnął wartość 4,5 mld $ w 2019 r. i nadal rośnie.