Un idrogel ispirato al cetriolo di mare si autoripara per la percezione tattile / Sea cucumber-inspired hydrogel heals itself for tactile sensing

Un idrogel ispirato al cetriolo di mare si autoripara per la percezione tattile / Sea cucumber-inspired hydrogel heals itself for tactile sensing

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori dell'Università di Scienza e Tecnologia Elettronica della Cina (UESTC) hanno sviluppato un idrogel ionotronico autoriparante ispirato al cetriolo di mare, destinato ai sensori tattili indossabili di nuova generazione ed ad altre applicazioni.

Per i sensori indossabili, la robotica morbida e le interfacce uomo-macchina sono necessari materiali elettronici flessibili in grado di trasmettere segnali elettrici ed al contempo tollerare le deformazioni.

Gli idrogel, reti polimeriche ricche di acqua con proprietà meccaniche simili a quelle dei tessuti biologici, sono candidati promettenti per queste applicazioni.

Tuttavia, sono vulnerabili a crepe e forature durante l'uso ripetuto, il che può ridurne l'affidabilità e limitarne la diffusione.

Ora, un gruppo di ricercatori guidato dall'autore senior Linbo Zhang, professore presso la Scuola di Scienze e Ingegneria Elettronica dell'UESTC , afferma di aver superato questi limiti con un idrogel (AETC) che integra in un unico materiale l'autoriparazione a temperatura ambiente, una forte adesione intrinseca ed il rilevamento capacitivo interfacciale. Il loro lavoro è descritto in dettaglio sulla rivista Nano Research.

I cetrioli di mare, echinodermi marini noti per la loro resistenza ai danni, possiedono pareti corporee contenenti catene polipeptidiche ricche di donatori ed accettori di legami a idrogeno, in grado di formare e rompere reversibilmente tali legami.

Ispirandosi a questa architettura gerarchica ed alla dinamica ionica del tessuto del cetriolo di mare, i ricercatori hanno progettato l'idrogel AETC combinando un monomero ionico con l'acido tannico, un agente naturale in grado di formare legami ad idrogeno. Si ritiene che la rete di idrogel risultante presenti interazioni elettrostatiche ioniche reversibili e reti dinamiche di legami ad idrogeno che consentono un'efficace autoriparazione in condizioni ambientali.

"In questo lavoro presentiamo un idrogel ionotronico ispirato al cetriolo di mare che combina adesione intrinseca, autoriparazione a temperatura ambiente e rilevamento capacitivo interfacciale", ha dichiarato Zhang in un comunicato. "Le interazioni ioniche reversibili ed i legami idrogeno dinamici consentono un'efficace autoriparazione ed una forte adesione, mentre l'evoluzione del contatto interfacciale dipendente dalla pressione permette una trasduzione del segnale capacitivo sensibile."

L'idrogel AETC presenta una flessibilità superiore al 1000%, un'elevata conduttività ionica superiore a 0,49 S m−1 ed adesione ad una varietà di substrati, tra cui vetro, plastica, metallo e silicone.

Se danneggiato da tagli o forature, l'idrogel è in grado di autoripararsi a temperatura ambiente senza alcuno stimolo esterno, recuperando quasi il 100% della sua conduttività elettrica e mantenendo una notevole resistenza meccanica.

Per dimostrare le sue capacità di rilevamento, i ricercatori hanno realizzato un sensore ionotronico posizionando una pellicola di idrogel AETC microstrutturata tra due elettrodi di rame. Il gruppo riferisce che il sensore ha raggiunto un'elevata sensibilità alla pressione di circa 20,6 kPa⁻¹, un ampio intervallo di rilevamento fino a 1 MPa e tempi di risposta e recupero rapidi, rispettivamente di circa 30 e 40 ms. Ha inoltre mostrato una stabilità a lungo termine per oltre 10.000 secondi di funzionamento continuo.

A titolo di prova di fattibilità, il gruppo ha integrato i sensori a base di idrogel in un guanto tattile intelligente. Il guanto ha eseguito con successo la rilevazione tattile in tempo reale su cinque dita, ha riconosciuto cinque diverse forme di oggetti con una precisione complessiva del 99,3% e ha decodificato le intenzioni direzionali per controllare un gioco di evitamento degli ostacoli.

"Questo lavoro fornisce una strategia semplice ma efficace per lo sviluppo di piattaforme ionotroniche adesive ed autoriparanti per il rilevamento indossabile e l'interazione uomo-macchina", ha affermato Zhang. "Prevediamo che questo sistema a idrogel possa essere ampiamente applicato in protesi intelligenti, robotica morbida, monitoraggio della salute e tecnologie interattive immersive."

ENGLISH

Researchers at China’s University of Electronic Science and Technology of China (UESTC) have developed a sea cucumber-inspired self-healing ionotronic hydrogel for next-generation wearable tactile sensors and more.

Soft electronic materials that can transmit electrical signals while tolerating deformation are needed for wearable sensors, soft robotics and human-machine interfaces.

Hydrogels, water-rich polymer networks with tissue-like mechanical properties, are promising candidates for these applications.

However, they are vulnerable to cracks and punctures during repeated use, which can reduce reliability and limit their wider adoption.

Now, a team of researchers led by senior author Linbo Zhang, a professor in the School of Electronic Science and Engineering at UESTC, claims to have overcome these limitations with a hydrogel (AETC) that integrates room-temperature self-healing, strong intrinsic adhesion, and interfacial capacitive sensing in a single material. Their work is detailed in Nano Research.

Sea cucumbers, marine echinoderms known for their damage tolerance, have body walls containing polypeptide chains rich in hydrogen-bond donors and acceptors that can reversibly form and break hydrogen bonds.

Inspired by this hierarchical architecture and the ion dynamics of sea cucumber tissue, the researchers designed the AETC hydrogel by combining an ionic monomer with tannic acid, a natural hydrogen-bond-forming agent. The resulting hydrogel network is said to feature reversible ionic electrostatic interactions and dynamic hydrogen-bonding networks that enable effective self-healing under ambient conditions.

“In this work, we present a sea cucumber-inspired ionotronic hydrogel that combines intrinsic adhesion, room-temperature self-healing, and interfacial capacitive sensing,” Zhang said in a statement. “The reversible ionic interactions and dynamic hydrogen bonds enable effective self-healing and strong adhesion, while the pressure-dependent interfacial contact evolution enables sensitive capacitive signal transduction.”

The AETC hydrogel exhibits pliability exceeding 1000 per cent, a high ionic conductivity of over 0.49 S m−1, and adhesion to a variety of substrates including glass, plastic, metal, and silicone.

When damaged by cuts or punctures, the hydrogel can autonomously heal at room temperature without any external stimuli, recovering nearly 100 per cent of its electrical conductivity and maintaining substantial mechanical strength.

To demonstrate its sensing capabilities, the researchers fabricated an ionotronic sensor by placing a microstructured AETC hydrogel film between two copper electrodes. The team reports that the sensor achieved a high pressure sensitivity of approximately 20.6kPa−1, a wide detection range of up to 1MPa, and rapid response and recovery times of about 30 and 40ms, respectively. It also showed long-term stability over 10,000 seconds of continuous operation.

As a proof-of-concept, the team integrated the hydrogel-based sensors into a smart tactile glove. The glove successfully performed real-time tactile sensing across five fingers, recognised five different object shapes with an overall accuracy of 99.3 per cent, and decoded directional intents for controlling an obstacle avoidance game.

“This work provides a simple yet effective strategy for developing adhesive, self-healing ionotronic platforms for wearable sensing and human-machine interaction,” said Zhang. “We envision that this hydrogel system could be broadly applied in smart prosthetics, soft robotics, health monitoring, and immersive interactive technologies.”

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/sea-cucumber-inspired-hydrogel-heals-itself?rcip=giuseppecotellessa%40libero.it&utm_campaign=Daily%20Bulletin%20-100926%20-%20Thursday&utm_content=&utm_term=https%3A%2F%2Fwww.theengineer.co.uk%2Fcontent%2Fnews%2Fsea-cucumber-inspired-hydrogel-heals-itself&utm_medium=email&utm_source=The%20Engineer