Utafiti huu unatengeneza usanifu mpya wa kimitambo kwa elektroniki za epidermisi zenye unene wa nanometa, ambazo ni nyembamba kiasi cha kuweza kuendana na ngozi ya binadamu karibu kama tattoo ya kielektroniki, lakini ni dhaifu kiasi cha kutoweza kubebwa kwa mkono mtupu. Watafiti waliacha kitovu amilifu cha kifaa kikiwa na unene wa takriban 500 nm, huku wakiimarisha sehemu inayokizunguka kwa kiunzi cha poliimidi chenye unene wa takriban 5 µm. Hivyo, wakati ulinganifu mkubwa wa eneo la kati na mikro-muundo wa ngozi ukihifadhiwa, ilikusudiwa kifaa kiweze kushikwa kwenye ukingo wake kwa kibano, kuunganishwa na kebo, kuondolewa kutoka kwenye uso lengwa na kutumiwa tena. Ukingo uliotiwa unene pia huanzisha kujitenga kwa kifaa ndani ya maji kutoka kwenye tabaka-msingi kuu la kioo kwa kutumia mkazo wa kutolingana kwa joto.

Katika utafiti, matumizi matatu tofauti ya kuhisi yalionyeshwa kwa jukwaa hili la “edge-supported ultrathin”, yaani ultra-nyembamba inayosaidiwa na ukingo (ESU). Elektrodi kavu ya kifiziolojia yenye unene wa takriban 500 nm ilitoa impedansi ya awali ya mguso ya 3,60 ± 0,01 kΩ katika 1 kHz kwenye ngozi ya binadamu. Elektrodi hiyo hiyo ilipimwa katika kiwango cha 7,908 ± 0,006 kΩ baada ya zaidi ya operesheni 100 za kuvalishwa na kuondolewa ndani ya wiki moja. Wakati wa majibu wa %90 wa sensa ya joto ya aina ya ukinzani yenye unene wa 0,5 µm ulikuwa 0,48 ms, ilhali katika sensa ya kulinganisha yenye unene wa 5 µm muda huu ulikuwa 11,54 ms. Katika eneo nyeti zaidi la sensa ya shinikizo iliyoundwa kwa uhandisi-nano, unyeti wa 62,92 kPa⁻¹ uliripotiwa.

Ubunifu mkuu wa utafiti si tu kupunguza unene wa sensa. Eneo la kuhisi la kipimo-nano, ukingo wa duara ulio mnene zaidi na unganisho la serpentine hubeba kazi tofauti za kimitambo: kitovu cha ultra-nyembamba huendana na ngozi; ukingo mnene hulinda muundo wakati wa kubeba na kuondoa; daraja la serpentine nalo hufyonza strain na kupunguza uhamishaji wa mizigo inayotoka eneo la kebo na pad kwenda kwenye kitovu nyeti.

Hata hivyo, matokeo haya si ushahidi wa utambuzi wa kitabibu au matumizi ya kliniki ya muda mrefu. Sehemu iliyofanywa kwa binadamu inalenga kurekodi ishara za elektromiografia ya juu ya ngozi (sEMG). Makala linaripoti kuwa ridhaa iliyoarifiwa ilichukuliwa kutoka kwa washiriki, lakini si utafiti wa tiba ya kliniki au utambuzi wa ugonjwa. Pia, chanzo kinaeleza wazi kwamba kuweka filamu ya poliimidi juu ya ngozi kwa muda mrefu kunaweza kusababisha uwekundu na usumbufu mdogo. Kwa hiyo, sifa ya kuondolewa na kuvalishwa tena ni muhimu si kwa urahisi wa uzalishaji tu, bali pia kwa matumizi.

Katika muktadha wa Türkiye, mbinu hii inaweza kutathminiwa kwa upande wa elektroniki za afya zinazovaliwa, ngozi ya kielektroniki, violesura vya binadamu-mashine, robotiki na tafiti za sensa za mikro/nano. Hata hivyo, utafiti haukuchunguza miundombinu ya uzalishaji nchini Türkiye, kanuni za kibaotiba, matumizi ya kliniki au gharama ya uzalishaji wa mfululizo wa ndani. Matokeo ya maabara hayapaswi kufasiriwa moja kwa moja kama mafanikio ya bidhaa ya kibiashara au ya kliniki.

Kwa nini elektroniki zenye unene wa nano huleta faida na tatizo kwa wakati mmoja?

Mojawapo ya malengo muhimu ya elektroniki za epidermisi ni kupunguza kadiri iwezekanavyo kutolingana kwa kimitambo kati ya sensa na ngozi ya binadamu. Ngozi si uso tambarare; ina miinuko ya alama za vidole, matundu ya jasho na mikunjo midogo katika mizani pana zaidi. Kadiri filamu ya kielektroniki inavyokuwa nene na ngumu, ndivyo inavyokuwa vigumu zaidi kufuata miundo hii midogo.

Tafiti za awali za kimitambo ambazo chanzo kinazitegemea zinaonyesha kuwa katika elektroniki za epidermisi zinazotegemea poliimidi, kupunguza unene chini ya mikrometa chache kunaweza kuongeza kwa kiasi kikubwa mguso wa konformali na muundo wa ngozi. Lakini kwa upande mwingine, ugumu wa kupinda hushuka kwa kasi sana. Filamu huru yenye unene wa nanometa inaweza kupinda, kukunjamana au kujikunja juu yake yenyewe hata kwa mtiririko wa hewa, nguvu ya elektrostatiki, nguvu za uso au mguso mdogo wa kimitambo.

Kwa hiyo tatizo la utafiti ni pana kuliko swali la “sensa nyembamba zaidi hutengenezwaje?”: Je, inawezekana kuhifadhi faida ya mguso wa konformali ya unene wa nanometa na wakati huo huo kufanya kifaa kiweze kuzalishwa, kushikika, kuunganishwa, kuondolewa na kutumiwa tena?

Mkakati wa kusaidia ukingo unafanyaje kazi?

Kifaa cha msingi katika Kielelezo 1 kina sehemu tatu za kimitambo:

• Kisiwa amilifu cha ultra-nyembamba: filamu ya PI yenye unene wa takriban 500 nm; elektrodi au sensa iko hapa.
• Kiunzi cha pembeni kilichoimarishwa: PI fotosensitivi yenye unene wa takriban 5 µm; hutoa ulinzi wakati wa kubeba, kunyanyua na dhidi ya nguvu za nje.
• Muundo wa kisiwa-daraja wa serpentine: huwezesha mstari wa unganisho uliotiwa unene kufyonza strain kwa kupinda na kuzunguka.

Sababu ya kubuni ukingo kwa umbo la duara ni kupunguza mkusanyiko wa mkazo katika kona kali. Katika hesabu ya vipengele kikomo kwenye chanzo, katika strain ya kuvuta ya %1, mkazo wa juu katika muundo wenye mpito mkali ulikuwa 261 MPa, ilhali kwa mpito uliopinda ulishuka hadi 121 MPa. Waandishi wanaitathmini thamani hii kuwa chini ya takriban 200 MPa ya uimara wa kuvutwa waliotumia kwa poliimidi.

Muundo wa serpentine uliunda tofauti ya kimitambo iliyo wazi zaidi. Muundo usio na serpentine ulionyesha mkazo wa juu wa 570 MPa katika strain ya %10, ilhali katika muundo wenye serpentine mkazo wa juu ulikuwa 79,9 MPa katika strain ya jumla ya juu zaidi kama %50. Katika hali hiyo hiyo, mkazo uliohesabiwa katika kisiwa cha sensa chenye unene wa nanometa ulikuwa tu 7,47 MPa.

Unyembamba na uimara wa kimitambo vinatenganishwaje ndani ya kifaa kimoja?

Mantiki ya muundo hapa si kutengeneza kifaa chote kwa unene uleule. Sifa ya kimitambo imesambazwa kikanda kulingana na kazi. Mahali ambapo ubadilishanaji halisi wa ishara na ngozi hutokea, filamu huachwa nyembamba kadiri iwezekanavyo; ukingo utakaoguswa na kibano, pad itakayounganishwa kwa solder na kebo, na unganisho litakalobeba strain hufanywa kuwa mnene zaidi.

Kwa hiyo swali la “je, msaada wa 5 µm huondoa mguso wa konformali katika mizani ya nanometa?” ni muhimu. Majaribio ya replika ya ngozi yaliyofanywa katika utafiti yanaonyesha kuwa karibu na ukingo mguso si kamili, lakini katika eneo kuu la kuhisi la 500 nm lenye kipenyo cha 5 mm, mstari wa mguso wenye ufanisi ulikadiriwa kuwa zaidi ya %85.

Kifaa huandaliwa vipi wakati wa uzalishaji?

Ni nini utaratibu wa kifizikia wa kujitenga chenyewe ndani ya maji?

Katika uzalishaji, kung’oa kwa njia ya kimitambo filamu yenye unene wa nano kutoka kwenye kioo ni tatizo kubwa. Kwa kuwa filamu ni laini kupita kiasi, nguvu ya kung’oa inaweza kujilimbikiza katika eneo dogo na kusababisha kuchanika au kukunjamana.

Muundo unaosaidiwa na ukingo hujaribu kutatua tatizo hili kwa kuunganisha athari mbili za kifizikia. Ya kwanza ni tofauti katika tabia za upanuzi wa joto kati ya poliimidi na kioo. Baada ya PI kukomazwa katika joto la juu na mfumo kupoa, mkazo wa kutolingana kwa joto hubaki ndani ya filamu. Kadiri unene unavyoongezeka, nguvu hii ya kimitambo ya kuendesha pia huongezeka.

Katika uigaji wa Kielelezo 2a, mikazo ya juu ya kutolingana kwa joto kwa unene tofauti wa PI imetolewa takriban kama ifuatavyo:

Filamu ya 0,5 µm peke yake haiwezi kutumia mkazo huu kwa ufanisi wa kutosha kuendeleza kujitenga; ukingo ulio nyumbufu sana unaweza kujikunja juu yake wenyewe na kukandamiza kusonga mbele kwa uso wa kujitenga. Ukingo wa msaada wa takriban 5 µm hutoa eneo la kimitambo lililo gumu zaidi ambalo husaidia kutokea kwa pengo la kwanza.

Jukumu la maji ni nini?

Mkazo wa joto pekee hautoshi. Katika utafiti, nguvu ya mshikamano ya kiolesura cha PI–kioo ilipimwa kuwa 1,08 ± 0,06 N/m hewani. Ndani ya maji, hakuna nguvu ya mshikamano inayoweza kupimwa iliyogunduliwa kwa mfumo wa upimaji uliotumiwa.

Kulingana na maelezo ya utaratibu ya waandishi, molekuli za maji zenye polar huingia kwenye kiolesura cha PI–kioo kupitia pengo la kwanza lililoundwa na hudhoofisha uunganishaji wa kiolesura. Mkazo wa kutolingana kwa joto katika ukingo mnene unapoungana na mshikamano uliopungua wa kiolesura, uso wa kujitenga unaweza kusonga mbele.

Katika Kielelezo 2f inaonekana kuwa filamu za ultra-nyembamba zinazosaidiwa na ukingo zilizong’olewa kwa nguvu ya nje hewani zilichanika, ilhali sampuli iliyoachiliwa ndani ya maji ilihifadhi uadilifu wake. Filamu ya daraja la 500 nm isiyo na uimarishaji wa ukingo ilikunjamana kwa wazi baada ya kujitenga.

Uachiliaji huchukua muda gani?

Kulingana na sehemu ya mbinu, vifaa vya ESU vinapozamishwa kwenye maji yaliyotolewa ioni, kujitenga kwa sehemu kubwa ya ukingo uliotiwa unene huchukua takriban 10–30 dakika kulingana na muundo na ukubwa. Kuchanganya maji kwa upole kunaweza kuharakisha kujitenga. Ukingo unapokuwa umeachiliwa vya kutosha, kifaa hutolewa majini kwa kushikwa kwa kibano tu kwenye eneo lililoimarishwa.

Mpaka wa usemi “bila tabaka la dhabihu” ni upi?

Mojawapo ya ubunifu mkuu wa makala ni kwamba muundo wa ESU hauhitaji tabaka tofauti la dhabihu linaloyeyuka au kiwakilishi cha kikemikali cha kuchonga ili kujitenga kutoka kwenye kibebaji cha kioo. Hata hivyo, usemi huu haupaswi kupanuliwa kwa michakato yote ya mikro-utengenezaji ya kila kifaa kidogo ndani ya utafiti.

Hasa katika mbinu ya sensa ya shinikizo iliyoundwa kwa uhandisi-nano, watafiti walipaka juu ya kioo tabaka la dhabihu la PAA linaloyeyuka katika maji wakati wa kuandaa PDMS na tabaka la nanotube ya kaboni ya ukuta mmoja. Kwa hiyo, mbinu ya uachiliaji wa kibebaji kikuu cha ESU haina tabaka la dhabihu; lakini katika uzalishaji wa nyenzo amilifu maalumu ya sensa ya shinikizo, tabaka la dhabihu hutumika.

Je, filamu ya 500 nm kweli inaweza kufuata muundo wa ngozi?

Kielelezo 3 kinashughulikia swali hili kwa hesabu ya kinadharia, replika ya alama ya kidole, profilometria, SEM na vipimo vya konfokali. Kulingana na modeli ya kimitambo iliyotumiwa, katika muundo wa alama ya kidole wenye amplitudo ya ukwaru ya takriban 200 µm, tabaka la PI linahitaji kuwa nyembamba kuliko takriban 3,5 µm kwa mguso wa konformali.

Filamu ya 0,5 µm PI inaweza kuonyesha tabia ya konformali katika amplitudo za ukwaru wa uso za takriban 60–500 µm na kubwa zaidi ndani ya masafa ya hesabu ya utafiti. Katika vipimo vilivyofanywa kwenye replika ya alama ya kidole, filamu ya 0,5 µm ilifuata kwa karibu mabonde na miinuko ya uso, ilhali filamu ya 5 µm iligusa zaidi maeneo ya juu ya miinuko.

Katika picha za SEM, kubaki kuonekana kwa morfolojia nyembamba ya alama ya kidole na miundo midogo inayolingana na matundu ya jasho chini ya filamu ya 0,5 µm kunaonyesha kwamba filamu haikusawazisha uso kimitambo kwa kiwango kinachoonekana.

Je, ukingo huharibu mguso katika kifaa halisi?

Katika uchambuzi wa konfokali uliofanywa kwenye replika ya silikoni ya ngozi ya mkono wa mbele, upotevu kamili wa mguso ulitokea karibu na ukingo wa msaada wa 5 µm. Hata hivyo, sehemu kubwa ya eneo kuu la kuhisi lenye kipenyo cha 5 mm iliendelea kufuata jiometri ya uso. Chanzo kinakadiria kuwa uwiano wa mstari wa mguso wenye ufanisi uliochunguzwa katika mwelekeo wa kipenyo uko zaidi ya %85.

Data hii haimaanishi moja kwa moja kwamba zaidi ya %85 ya uso wote wa ngozi hai ya binadamu uko kwenye mguso. Kipimo hiki ni tathmini ya kijiometri iliyopatikana kutoka kwa replika ya ngozi iliyotayarishwa kutoka mkono wa mbele wa binadamu na kutoka kwa wasifu wa mstari uliochaguliwa.

Kwa nini elektrodi ya ultra-nyembamba hutoa impedansi ya chini?

Katika vipimo vya biopotential kama sEMG, uso wa mguso wenye ufanisi kati ya elektrodi na ngozi ni kigezo muhimu cha umeme. Elektrodi kavu nene inapogusa tu sehemu za juu za mikunjo midogo, eneo halisi la mguso wa umeme linaweza kubaki dogo. Filamu ya daraja la 500 nm, kwa kuwa hufuata mikro-muundo wa ngozi, inaweza kuunda eneo halisi la mguso lililo pana zaidi.

Katika elektrodi ya ESU sEMG, filamu ya kuhisi ya dhahabu iko juu ya PI ya ultra-nyembamba, wakati eneo la unganisho la nje limeimarishwa kimitambo. Pad ya elektrodi iliundwa kama pete ili iweze kutumiwa na kebo ya unganisho la kibiashara; kipenyo chake cha ndani ni 4 mm, na kipenyo cha nje ni 8 mm.

Impedansi za elektrodi katika 1 kHz zilikuwa zipi?

Katika mpangilio huu wa majaribio, elektrodi kavu ya ultra-nyembamba ilionyesha impedansi ya mguso ya takriban oda tatu chini kuliko elektrodi ya kibiashara ya Ag/AgCl. Hata hivyo, ulinganisho huu unahusu jiometria maalumu za elektrodi, maandalizi ya ngozi na protokali ya kipimo ya utafiti; haupaswi kusomwa kama mpangilio wa jumla wa utendaji wa elektrodi zote mvua au kavu sokoni.

Je, elektrodi iliweza kweli kutumiwa tena?

Waandishi walizijaribu elektrodi kwa wiki moja; walichukua kipimo kila siku na kuziweka na kuziondoa kwenye ngozi mara kwa mara. Idadi ya jumla ya marudio ilizidi 100. Baada ya mizunguko 100, iliripotiwa kuwa hakuna delamination dhahiri au ufa wa uchovu ulioonekana katika mpito kati ya eneo la msaada la 5 µm na eneo amilifu la 0,5 µm.

Baada ya marudio ya wiki moja, impedansi ya 1 kHz ya elektrodi ya ESU ilikuwa:

7,908 ± 0,006 kΩ

ilhali impedansi ya elektrodi ya kibiashara ya Ag/AgCl ilipimwa kuwa:

14,353 ± 1,564 MΩ

kama ilivyopimwa.

Mtetemo wa jamaa wa ishara ya elektrodi ya ESU ulitolewa kama %0,11, na ule wa elektrodi ya Ag/AgCl kama %26,64. Waandishi wanahusisha sehemu kubwa ya kuharibika kwa elektrodi mvua ya kibiashara na kuzeeka kwa hydrogel.

Je, matumizi ya tena hayahitaji matengenezo kabisa?

Hapana. Chanzo kinaeleza wazi kuwa wakati wa matumizi ya tena, seli za ngozi zilizokufa na sebum zinaweza kujikusanya hasa kwenye uso wa kuhisi wa 500 nm. Kwa hiyo, ilipendekezwa kabla na baada ya kila matumizi elektrodi isafishwe kwa kuoshwa na ethanoli kwa sekunde chache na eneo lengwa la ngozi lisafishwe kwa upole kwa pamba yenye alkoholi.

Maelezo haya ni muhimu; usemi “inaweza kutumiwa tena” haumaanishi kifaa kisichoathiriwa na uchafuzi na kisichohitaji matengenezo.

Ubora wa ishara ya sEMG ulilinganishwaje?

Elektrodi za ESU ziliwekwa katika eneo la ndani la mkono wa mbele na ishara ya elektromiografia ya juu ya ngozi ilirekodiwa kutoka kwenye misuli ya flexor carpi radialis wakati wa kukamata. Ulinganisho ulifanywa na elektrodi za kibiashara za Ag/AgCl katika eneo lilelile.

Nguvu ya kukamata ilipoongezwa, amplitudo ya sEMG iliyorekodiwa kwa elektrodi za ESU nayo iliongezeka. Matokeo haya yanaunga mkono kwamba kifaa kinaweza kuhisi shughuli ya misuli ya juu ya ngozi. Hata hivyo, utafiti haukupima usahihi wa utambuzi wa ugonjwa wowote wa neuromuscular, matokeo ya urekebishaji au utendaji wa uamuzi wa kliniki.

Kwa nini sensa ya joto ya ultra-nyembamba ni ya haraka zaidi?

Watafiti waliunda juu ya jukwaa sensa ya joto ya ukinzani inayotegemea dhahabu, yaani RTD. Kadiri tabaka-msingi la polima linavyopungua unene, uzito wa joto kati ya sensa na chanzo cha joto hupungua, na hivyo kipengele cha kuhisi kinaweza kukaribia joto halisi la uso kwa haraka zaidi.

Katika chanzo, mgawo wa ukinzani wa joto (TCR) umeripotiwa kama ifuatavyo:

Waandishi wanasisitiza kuwa thamani iliyopatikana katika muundo wa 0,5 µm inakaribia thamani intrinsiki ya dhahabu ya takriban %0,324/°C iliyotajwa katika chanzo.

Jibu la T90 la RTD ya 0,5 µm, yaani 0,48 ms, ni takriban mara 24 fupi kuliko thamani ya 11,54 ms ya muundo wa 5 µm. Makala linatafsiri matokeo haya kama onyesho la majibu ya chini ya milisekunde katika RTD zinazotegemea metali.

Unyeti wa 62,92 kPa⁻¹ ulipatikana vipi katika sensa ya shinikizo?

Sensa ya shinikizo hutumia mbinu ya uhandisi-nano iliyotengenezwa awali badala ya kuongeza unene wa piramidi za kawaida za kipimo cha mikrometa au miundo midogo yenye vinyweleo. Kifaa hutumia elektrodi za dhahabu za interdigital na muundo wa kuhisi unaotegemea nanotube ya kaboni ya ukuta mmoja juu ya PDMS.

Kwa maeneo tofauti ya kazi katika mkunjo wa mkondo–shinikizo, chanzo kinaonyesha:

• S1 = 62,92 kPa⁻¹
• S2 = 33,63 kPa⁻¹
• S3 = 0,49 kPa⁻¹

unyeti huo. Thamani ya 62,92 kPa⁻¹ si unyeti thabiti wa sensa katika wigo wote wa shinikizo; ni ya eneo la kwanza na nyeti zaidi la mkunjo.

Kielelezo 5e pia kinaonyesha jaribio la mizunguko la sensa ya shinikizo hadi takriban 4000 mizunguko. Matokeo haya yanaunga mkono uimara wa mizunguko wa maabara; si jaribio la uimara wa miaka mingi au uaminifu wa kliniki katika matumizi halisi ya binadamu.

Ni mpaka gani wa kubaki kwa filamu ya poliimidi juu ya ngozi kwa muda mrefu?

Mojawapo ya mipaka muhimu lakini inayoweza kupuuzwa kwa urahisi ya utafiti ni upenyezaji mdogo wa hewa na maji wa PI. Chanzo kinaripoti kuwa kuacha filamu ikishikamana na ngozi ya binadamu kwa muda mrefu kunaweza kusababisha uwekundu dhahiri, lakini usumbufu mdogo bila uvimbe.

Kwa hiyo, semi za “imperceptible” au faraja ya juu katika utafiti zinahusiana na unyembamba wa kimitambo wa kifaa; haipaswi kuhitimishwa kuwa hii inamaanisha matumizi ya ngozi yasiyokatizwa kwa siku kadhaa na yasiyo na usumbufu kabisa. Muundo unaoweza kuondolewa na kuvalishwa tena unapata umuhimu wa ziada katika muktadha huu.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Eneo amilifu la PI lenye unene wa takriban 500 nm linaweza kutoa konformali ya juu zaidi kwa nyuso zenye mikro-muundo kuliko filamu ya daraja la 5 µm.
• Ukingo wa duara uliotiwa unene wa takriban 5 µm husaidia kulinda eneo kuu la ultra-nyembamba dhidi ya kukunjamana na kuchanika wakati wa kubebwa.
• Muundo wa daraja la serpentine hupunguza kwa kiasi dhahiri uhamishaji wa strain ya makroskopiki iliyowekwa kwenda kwenye kisiwa cha sensa cha ultra-nyembamba.
• Msaada wa ukingo na mshikamano wa kiolesura cha PI–kioo uliopunguzwa na maji uliwezesha filamu ya ESU kuachiliwa kutoka kwenye kibebaji kikuu bila uharibifu.
• Elektrodi kavu ya ESU iliweza kurekodi ishara ya sEMG kwenye mkono wa mbele wa binadamu na katika protokali ya utafiti ilionyesha impedansi ya mguso ya 1 kHz iliyo chini kuliko elektrodi ya kibiashara ya Ag/AgCl.
• RTD ya 0,5 µm ilionyesha muda wa majibu wa T90 wa 0,48 ms.
• Katika eneo nyeti zaidi la kazi la sensa ya shinikizo iliyoundwa kwa uhandisi-nano, unyeti wa 62,92 kPa⁻¹ uliripotiwa.
• Elektrodi za ESU zilibaki katika hali ya kutumika baada ya zaidi ya operesheni 100 za kuvalishwa na kuondolewa.

Matokeo ambayo utafiti hauyathibitishi

• Haijaonyeshwa kuwa vifaa vinatambua ugonjwa wowote.
• Zaidi ya matumizi 100 ya tena hayamaanishi uwezo wa kutumiwa tena bila kikomo.
• Jaribio la elektrodi la wiki moja si ushahidi wa usalama wa kliniki wa muda mrefu.
• Jibu la joto la 0,48 ms halimaanishi kuwa sensa zote za joto za epidermisi zitaonyesha utendaji uleule.
• Unyeti wa shinikizo wa 62,92 kPa⁻¹ si thabiti kwa wigo wote wa shinikizo.
• Kwamba jukwaa la ESU hutenganishwa kutoka kwenye kibebaji kikuu bila tabaka la dhabihu hakumaanishi kuwa michakato yote midogo ya uzalishaji, ikiwemo sensa ya shinikizo, haitumii tabaka la dhabihu.
• Mstari wa mguso wenye ufanisi ulio juu ya zaidi ya %85 katika replika ya ngozi hauwezi kufasiriwa kama uwiano wa mguso wa %85 kwenye uso mzima wa ngozi hai ya binadamu.
• Utafiti haukuthibitisha uzalishaji wa viwandani wa mfululizo, sterilization, uthibitishaji wa kibaotiba au matumizi ya hospitalini.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Uzalishaji wa msingi wa filamu ya ESU

Myeyusho tangulizi wa PI ulipunguzwa kwa NMP kwa uwiano wa ujazo wa 1:2, ukachanganywa kwa dakika 30 na kuwekwa katika vakumu kwa dakika 30 ili kuondoa viputo. Mchanganyiko ulipakwa juu ya kioo cha 50 × 50 mm kwanza kwa 600 rpm kwa sekunde 9, kisha kwa 2000 rpm kwa sekunde 30 kwa spin-coating.

Filamu ya PI ilikomazwa kwa hatua kutoka 60 °C hadi 220 °C kwa ongezeko la 20 °C na kwa kushikiliwa dakika 10 katika kila hatua. Katika filamu ya PI ya takriban 0,5 µm iliyoundwa, kontua ya uachiliaji ilikatwa kwa mfumo wa ProtoLaser R4 katika masharti ya 0,1 W na 100 kHz.

Baadaye tabaka la PI fotosensitivi lilipakwa kwa kasi zilezile za msingi za spin, likafanyiwa pre-bake kwa dakika 4 katika 110 °C, likawekwa mwanga wa 200 mJ/cm², likaendelezwa, na baada ya post-bake ya dakika 15 katika 110 °C jiometri ya msaada uliotiwa unene iliundwa.

Elektrodi ya dhahabu na sensa ya joto

Juu ya ESU PI, 50 nm Au iliwekwa kwa magnetron sputtering. Muundo wa dhahabu uliundwa kwa fotolithografia na uchongaji mvua unaotegemea KI/I₂/H₂O, na kifaa kisha kikaachiliwa ndani ya maji.

Hatua maalumu ya uzalishaji wa sensa ya shinikizo

Katika sensa ya shinikizo, tofauti na muundo wa ESU wenye elektrodi za Au interdigital, myeyusho wa PAA uliopunguzwa kwa uwiano wa 1:10 ulitumika juu ya kioo kwa spin-coating na ukakomazwa katika 85 °C kwa dakika 30 ili kuunda tabaka la dhabihu linaloyeyuka katika maji.

Juu yake, mchanganyiko wa PDMS wenye uwiano wa 10:1 precursor:curing-agent ulipunguzwa kwa toluene na kupakwa, ukakomazwa katika 85 °C, na hatimaye myeyusho wa nanotube ya kaboni ya ukuta mmoja wenye 150 µg/mL ukanyunyizwa kupitia stencil mask.

Maelezo haya ya mbinu ni muhimu kwa kutafsiri kwa usahihi upeo wa mkabala mkuu wa uachiliaji bila tabaka la dhabihu katika makala.

Uboreshaji wa kimitambo

Jaribio la mshikamano wa kiolesura

Nguvu ya mshikamano ya filamu ya PI ya submikrometa ilipimwa hewani kuwa 1,08 ± 0,06 N/m, na ndani ya maji hakuna mshikamano unaoweza kupimwa uliogunduliwa katika mpangilio wa kupima nguvu uliotumiwa.

Muda wa kuachiliwa kwa vifaa vya ESU katika maji ya DI umetolewa kuwa takriban dakika 10–30 kulingana na muundo na ukubwa.

Kipimo cha mguso wa konformali

Replika za ncha ya kidole na ngozi ya mkono wa mbele ziliandaliwa kwa njia ya ufinyanzi wa silikoni. Filamu za PI za 0,5 µm na 5 µm zililinganishwa kwa profilometria, SEM, upigaji picha wa macho na mikroskopia ya konfokali.

Filamu ya 0,5 µm ilifuata kwa karibu topografia ya alama ya kidole; katika eneo la kuhisi la kipenyo cha 5 mm juu ya replika ya mkono wa mbele, ilihesabiwa kuwa mstari wa mguso wa konformali wenye ufanisi katika mwelekeo wa kipenyo kilichochaguliwa ulizidi %85.

Ukarakterishaji wa elektrodi ya sEMG

Impedansi ya mguso ilipimwa kwa mita nyeti ya LCR ya TH2840B. Elektrodi kavu nene, elektrodi mvua ya kibiashara ya Ag/AgCl na elektrodi ya ESU zililinganishwa kwa muda wa wiki moja.

Kila siku baada ya kipimo cha kwanza, elektrodi ziliwekwa na kuondolewa kwenye ngozi mara 20 na kipimo cha pili kikachukuliwa. Hivyo, mwishoni mwa wiki moja idadi ya jumla ya matumizi ya tena ilizidi 100.

Kipimo cha sEMG

Elektrodi mbili za ESU ziliwekwa juu ya mkono wa mbele kwa mpangilio wa bipolar na ishara ya elektromiografia ya juu ya ngozi ikarekodiwa kutoka kwenye misuli ya flexor carpi radialis wakati wa kukamata. Nguvu tofauti za kukamata na kazi za kukamata kwa uthabiti zilizorudiwa zilitathminiwa.

Uwiano wa ishara kwa kelele ulioripotiwa wa elektrodi ya ESU ni 19,92 dB, na wa elektrodi ya kibiashara ya Ag/AgCl ni 15,46 dB.

Utendaji wa joto wa RTD

Utendaji wa sensa ya shinikizo

Katika sensa ya shinikizo ya aina ya ukinzani iliyoundwa kwa uhandisi-nano, eneo la juu zaidi la unyeti limetolewa kama 62,92 kPa⁻¹, eneo la pili kama 33,63 kPa⁻¹ na unyeti katika eneo la shinikizo la juu zaidi kama 0,49 kPa⁻¹.

Grafu ya mizunguko inaonyesha kurudiwa kwa utendaji hadi takriban mizunguko 4000 ya upakiaji. Chanzo kinaitafsiri hii kama ushahidi wa uimara mzuri.

Mshiriki binadamu na mpaka wa usalama

Katika sehemu ya Experimental Section ya utafiti, inaelezwa kuwa ridhaa iliyoarifiwa ilipatikana kutoka kwa wajitolea walioshiriki katika majaribio. Katika maandishi makuu, nambari tofauti ya bodi ya maadili au jina la bodi halijatolewa.

Vipimo vya sEMG vilifanywa kwenye mkono wa mbele wa binadamu. Kwa upande mwingine, sehemu muhimu ya uchambuzi wa kina wa mguso wa konformali wa uso wa ngozi ilifanywa juu ya replika za ngozi ya silikoni na alama za vidole.

Chanzo pia kinaripoti kuwa kwa sababu upenyezaji wa hewa na maji wa filamu ya PI ni mdogo, inapowekwa kwenye ngozi kwa muda mrefu uwekundu dhahiri na usumbufu mdogo vinaweza kuonekana. Kwa hiyo, utafiti hauonyeshi kwamba matumizi endelevu na yasiyo na kikomo kwenye ngozi ni salama.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la utafiti asili: Nano-thick freestanding and reusable epidermal electronics via edge-supporting strategy

Waandishi: Zehan Liu; Shengzhao Wang; Yina He; Chuchao Wang; Qihong Wu; Ran Yang; Xihan Wang; Weifeng Zhang; Weiqiang Hong; Yuan Gao; Yi Li; Mengxi Wu; Junshan Liu.

Mchango sawa/mwandishi wa kwanza sawa: Chanzo hakina tangazo la mwandishi wa kwanza sawa au mchango sawa.

Waandishi wa mawasiliano: Yi Li, Mengxi Wu na Junshan Liu.

Taasisi 1: State Key Laboratory of High-performance Precision Manufacturing, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning, China.

Taasisi 2: Key Laboratory for Micro/Nano Technology and System of Liaoning Province, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning, China.

Taasisi 3: AECC Sichuan Gas Turbine Establishment, Chengdu, Sichuan, China. Yina He amehusishwa na taasisi hii.

Jarida: Microsystems & Nanoengineering.

Juzuu / nambari ya makala: Volume 12, Article 292 (2026).

DOI:10.1038/s41378-026-01422-x

Mchapishaji / jukwaa: Nature Portfolio / Springer Nature.

Aina ya chanzo na hali ya uhakiki: Ni makala ya utafiti iliyochapishwa na iliyopitia tathmini ya wenzao.

Mchakato wa uchapishaji: Ilipokelewa 19 Mei 2026; ikarekebishwa 21 Juni 2026; ikakubaliwa 13 Julai 2026; ikachapishwa 14 Agosti 2026 na kusajiliwa kama version of record katika tarehe hiyo hiyo.

Kiungo rasmi cha uchapishaji:Ukurasa rasmi wa makala wa Nature / Microsystems & Nanoengineering

Leseni: Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0).

Maelezo ya hakimiliki/mwonekano: Leseni huruhusu ushiriki usio wa kibiashara kwa nukuu sahihi, lakini hairuhusu usambazaji wa nyenzo ya chanzo iliyobadilishwa au kubadilishwa kimatumizi. Kwa hiyo, katika makala ya Verianla vielelezo vya chanzo havikuchorwa upya kama kazi inayotokana navyo.

Ufadhili: Fundamental and Interdisciplinary Disciplines Breakthrough Plan of the Ministry of Education of China (JYB2025XDXM908); Rejuvenating Liaoning Talents Plan of Liaoning Province (XLYC2403098); Science and Technology Innovation Fund of Dalian (2024JJ12GX023 na 2025JJ12PT021); msaada wa Dalian University of Technology (DUT25YG255).

Upatikanaji wa data: Inaripotiwa kuwa data inaweza kupatikana kutoka kwa waandishi wa mawasiliano kwa ombi linalofaa.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wameripoti kuwa hakuna mgongano wa maslahi.

Ridhaa ya washiriki: Ridhaa iliyoarifiwa ilipatikana kutoka kwa wajitolea walioshiriki katika majaribio. Katika makala kuu, jina tofauti la bodi ya maadili au nambari ya idhini haikutajwa.

Michango ya waandishi: Zehan Liu, Shengzhao Wang, Chuchao Wang na Ran Yang walibuni, kutengeneza na kukarakterisha vifaa. Zehan Liu na Qihong Wu walibuni na kutengeneza sakiti za ukusanyaji wa ishara. Zehan Liu, Xihan Wang, Weifeng Zhang, Weiqiang Hong na Yuan Gao walichambua data na kuandaa vielelezo. Zehan Liu, Mengxi Wu na Junshan Liu waliandika makala. Yina He, Yi Li, Mengxi Wu na Junshan Liu walisimamia mradi.

Maelezo muhimu ya upeo — tabaka la dhabihu: Kuachiliwa kwa jukwaa kuu la ESU kutoka kwenye kibebaji cha kioo kwa maji hakuhitaji tabaka tofauti la dhabihu au kiwakilishi cha kuchonga. Hata hivyo, katika sehemu maalumu ya mbinu inayotayarisha sehemu amilifu ya PDMS/SWCNT ya sensa ya shinikizo, tabaka la dhabihu la PAA linaloyeyuka katika maji hutumika. Kwa hiyo, hitimisho la “uzalishaji wote wa sensa hauna kabisa tabaka la dhabihu” haliungwi mkono na chanzo.

Mpaka muhimu wa matumizi ya tena: Utendaji wa matumizi ya tena unatokana na takriban wiki moja na zaidi ya operesheni 100 za kuvalishwa na kuondolewa. Ili kupunguza uchafuzi wa uso, ilihitajika kusafisha elektrodi kwa ethanoli na eneo lengwa la ngozi kwa pamba yenye alkoholi.

Mpaka muhimu wa matumizi kwenye ngozi: Chanzo kinaripoti kuwa kwa sababu ya upenyezaji mdogo wa hewa na maji wa PI, uwekundu wa ngozi na usumbufu mdogo vinaweza kutokea katika kushikamana kwa muda mrefu. Utafiti huu si utafiti wa usalama wa muda mrefu wa dermatolojia au kliniki.

Maelezo ya maudhui ya kisayansi: Maelezo haya ya Verianla yameandaliwa kwa msingi wa maandishi makuu ya utafiti chanzo, sehemu ya mbinu, Kielelezo 1–5, matokeo ya nambari na metadata ya uchapishaji. Hakuna dai lisilopatikana katika chanzo lililoongezwa kuhusu utambuzi wa ugonjwa, mafanikio ya tiba, usalama wa kliniki wa muda mrefu au uzalishaji wa kibiashara wa mfululizo.