Conform unui studiu publicat în revista de renume Science, un grup de cercetători de la The University of British Columbia, Canada, au reușit să creeze o așa-numită „piele inteligentă” (en. smart skin) care are capacitatea de a imita extrem de fidel modul în care reacționează pielea umană la stimulii din mediul înconjurător. În esență, acestea sunt fabricate din hidrogeluri biocompatibile, flexibile, care utilizează ioni pentru a transporta o anumită sarcină electrică (motiv pentru care mai sunt denumite și „piei ionice”). Spre deosebire de cele compuse din plastic și metale, hidrogelurile nu doar că sunt biocompatibile cu organismul uman, dar au și textură asemănătoare pielii umane. Această invenție ar putea revoluționa modul în care persoanele cu proteze sau membre robotizate ar recepționa stimuli din mediul înconjurător.
Aceste hidrogeluri au capacitatea de a genera anumite tensiuni atunci când sunt atinse, însă oamenii de știință nu au reușit, până de curând, să înțeleagă clar cum se întâmplă acest lucru. Misterul a fost rezolvat de către echipa de cercetători de la UBC care și-au dat seama că „senzorii de hidrogel produc tensiuni și curenți ca reacție de răspuns la diferiți stimuli, cum ar fi presiunea, atingerea – acest fenomen poartă numele de efect piezoionic”, conform declarațiilor lui Yuta Dobashi, care și-a început lucrarea ca parte a masteratului său în inginerie biomedicală. Sub îndrumarea cercetătorului John Madden, tot de la UBC, Dobashi a realizat senzori de hidrogen care conțin săruri cu ioni pozitivi și negativi de diferite dimensiuni. Colaborând cu departamentul de fizică și chimie al universității, aceștia au aplicat câmpuri magnetice asupra gelurilor pentru a urmări cu precizie modul în care ionii se mișcă în condiții de presiune.
„În momentul în care se aplică presiune (sau orice alt stimul mecanic) asupra hidrogelului, acest stimul împrăștie ionii din material cu viteze diferite, creând, astfel, un semnal electric. Ionii încărcați pozitiv, care de obicei tind să fie mai mici, se deplasează mai repede decât ionii mai mari, care sunt încărcați negativ. Acest lucru duce, prin urmare, la o distribuție inegală a ionilor, ceea ce creează un câmp electric. În astfel de condiții, un senzor piezoionic poate funcționa la capacitatea optimă pentru a genera răspuns”. Cercetătorii afirmă că aceste noi rezultate confirmă faptul că, într-adevăr, hidrogelurile funcționează într-un mod foarte similar cu cel în care pielea umană detectează deformările cauzate de presiune – de asemenea, prin deplasarea ionilor ca răspuns la acest stimul. Acest rezultat dă undă verde unor noi aplicații potențiale pentru astfel de „piei inteligente”.
„Aplicația evidentă a rezultatelor noastre este posibilitatea de a crea senzori care interacționează în mod direct cu celulele și sistemul nervos, deoarece parametrii precum tensiunile, curenții și timpii de răspuns sunt asemănători cu cei care traversează membranele celulare”, afirmă John Madden, profesor de inginerie electrică și informatică la Facultatea de Științe Aplicate din cadrul UBC. „În momentul în care conectăm senzorul nostru la un nerv, se produce un semnal. Ulterior, semnalul determină, spre exemplu, contracția musculară. Ne-am putea imagina un braț protetic, lipsit de viață, acoperit cu o piele ionică. Aceasta poate percepe un obiect prin stimuli precum atingerea, presiunea, iar apoi va transmite această informație, prin intermediul nervilor, către creier. Ulterior, creierul activează mecanismele necesare pentru a putea ridica și chiar ține obiectul. O astfel de «interfață bionică» sună chiar plauzibil”.
O altă aplicație a acestei invenții este reprezentată de un senzor din hidrogel, moale, care poate fi purtat direct pe piele pentru a monitoriza, în permanență, parametrii vitali ai unei persoane (frecvența cardiacă, tensiunea arterială, ritmul respirator), generându-și, în același timp, propria energie. „Ne putem imagina un viitor în care «ionotronicele gelatinoase» ar putea fi folosite chiar și pentru implanturi corporale. Articulațiile artificiale, spre exemplu, ar putea fi folosite, fără a presupune probleme de rejecție din partea organismului, cauzate de sistemul major de histocompatibilitate. Un implant de gel piezoionic ar putea, spre exemplu, elibera medicamente în organism raportându-se la valoarea rezistenței periferice a sângelui sau tensiunii cardiace, ceea ce ar fi foarte practic pentru persoanele care au o criză, își pierd cunoștința, și au nevoie imediată de medicamentație”.
Materialele piezoelectrice pot converti forțele mecanice în semnale electrice, iar datorită acestei proprietăți sunt fiabile în design-ul multor senzori care determină presiunea. Cu toate acestea, sistemele biologice tind să se bazeze mai degrabă pe mișcarea ionilor, decât pe cea a electronilor. Asta a avut în vedere, de fapt, grupul de cercetători care au analizat efectul piezoionic al mai multor tipuri de hidrogeluri – concepute astfel încât anionii și cationii să aibă o mobilitate diferită. Au observat că atunci când materialul este presat, acesta răspunde prin crearea unui gradient ionic care, ulterior, generează tensiune. Aplicații potențiale ale rezultatelor obținute implică dezvoltarea conceptului de „piele piezoionică”, stimularea nervilor periferici, demonstrând, în cele din urmă, posibilitatea „neuromodulării piezoionice autoalimentate” (cu alte cuvinte, posibilitatea ca persoanele care au poartă proteze și au membre robotizate „să poată simți”, din nou, stimuli mecanici proveniți din mediul în care trăiesc).
