ไฮโดรเจลแบบใหม่เปิดทางสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชีวภาพที่มีความอ่อนนุ่ม

นักวิจัยพัฒนาไฮโดรเจลแบบใหม่ที่มีความอ่อนนุ่มและมีศักยภาพในการนำไฟฟ้าได้เป็นอย่างดี แตกต่างจากไฮโดรเจลดั้งเดิมที่คุณสมบัติการนำไฟฟ้าอยู่ในระดับต่ำ เปิดทางไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์สวมใส่ยุคใหม่ที่มีความอ่อนนุ่ม สามารถปรับเปลี่ยนรูปร่างได้ ไม่ว่าจะเป็นการใช้งานทางการแพทย์หรือการควบคุมอุปกรณ์ในยุคดิจิทัลที่กำลังขยายตัวอย่างรวดเร็ว

การที่หุ่นยนต์เลือกใช้โลหะเป็นวัตถุดิบนั้นมาจากจุดเด่นด้านความแข็งแรง ความทนทานและศักยภาพในการนำไฟฟ้า ซึ่งคุณสมบัติเหล่านี้เหมาะกับงานอุตสาหกรรมที่หลายครั้งการทำงานต้องการความสามารถที่เหนือไปกว่าร่างกายของมนุษย์ซึ่งมีข้อจำกัดมากมาย แต่ถ้าหากลองพิจารณาคุณสมบัติเหล่านี้ในฐานะอุปกรณ์สวมใส่หรือ HMI (Human Machine Interface) แล้วอาจไม่ใช่คุณสมับติที่ตรงกับความต้องการนัก

ความต้องการน้ำหนักที่เบา ยืดหดได้ และรองรับกับคุณสมบัติด้านชีวภาพทำให้ไฮโดรเจล (Hydrogel) กลายเป็นวัตถุดิบที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับคอนแทคเลนส์และงานวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องกับเนื้อเยื่อ ซึ่งไฮโดรเจลนี้เองก็มีคุณสมบัติด้อยในการนำไฟฟ้าซึ่งเป็นส่วนสำคัญสำหรับวงจรดิจิทัลและงานด้านอิเล็กทรอนิกส์ชีวภาพ

นักวิจัยจาก Soft Machines Lab มหาวิทยาลัย Carnegie Mellon ได้พัฒนาไฮโดรเจลคอมโพสิทเงินที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวขึ้นมา วัสดุใหม่นี้มีความสามารถในการนำไฟฟ้าสูงและเหมาะสำหรับการนำส่งกระแสในขณะที่ยังคงความอ่อนตัวและความสามารถในการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ซึ่งงานวิจัยชิ้นนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Electronics

ด้วยวัสดุเงินที่เป็นเกล็ดขนาดเล็กเพียงระดับไมโครเมตรทีมวิจัยได้ผสมผสานเข้ากับไฮโดรเจล Polyacrylamide-Alginate และนำไปผ่านกระบวนการคายน้ำ (Dehydration) บางส่วน เกล็ดเงินเหล่านั้นจะจับตัวกันเป็นโครงข่ายที่สามารถนำไฟฟ้าได้และยังทนทานต่อการเปลี่ยนรูปแบบทางวิศวกรรมอีกด้วย ด้วยกระบวนการเติมน้ำและคายน้ำเกล็ดเงินเหล่านี้จะถูกทำให้พวกมันเกาะตัวรวมกันหรือแยกจากกัน กลายเป็นการเชื่อมต่อการไฟฟ้าที่ย้อนกลับไปมาได้

การผสมผสานโลหะและไฮโดรเจลเข้าด้วยกันทำให้เห็นว่าต้องมีการยอมสูญเสียบางคุณสมบัติไประหว่างความสามารถในการนำไฟฟ้า ความสามารถในการปรับเปลี่ยนที่ลดลง หรือการเปลี่ยนรูปทรง ซึ่งปัญหาเหล่านี้ได้ถูกแก้ด้วยเทคโนโลยีใหม่แล้วในปัจจุบัน

วัสดุไฮโดรเจลคอมโพสิทสามารถพิมพ์ด้วยกระบวนการมาตรฐาน เช่น Stencil Lithography ซึ่งคล้ายกับการพิมพ์สกรีน ทีมวิจัยได้ใช้วิธีดังกล่าวพัฒนาอิเล็กโทรดที่ติดตั้งบนผิวหนังเพื่อใช้ไฟฟ้ากระตุ้นกล้ามเนื้อ Neuromuscular ความสำเร็จที่เกิดขึ้นสามารถช่วยผู้ป่วยที่ประสบปัญหากับกล้ามเนื้อหรือมีปัญหากับการเคลื่อนไหวอย่างโรคพาร์กินสันหรือผู้ป่วยที่ไม่สามารถหยิบจับวัตถุได้หลังมีอาการสโตรคเกิดขึ้นเป็นต้น

ที่มา:
Engineering.cmu.edu