یک ویژگی مهم پوست انسان، توانایی تشخیص تغییرات دما است. پژوهشگران در دانشگاه ETH زوریخ یک حسگر دمای بسیار حساس و انعطاف پذیر توسعه داده‌اند که به زودی می‌تواند در اندام مصنوعی و بازوهای رباتیک مورد استفاده قرار گیرد.

ساخت حسگر دما برای پوست و اندام مصنوعی
تصویر غشای انعطاف‌پذیر حسگر (شفاف) که می‌تواند درجه حرارت یک صفحه حرارتی (سفید) را اندازه‌گیری کند. دستگاه قرمز رنگ یک نگهدارنده است (تصویر: Raffaele di Giacomo / ETH Zurich)

مارهای زنگی و چال مارها (نوعی مار سمی شبیه مار زنگی) با توانایی خود در پیدا کردن طعمه حتی در تاریکی مطلق مشهور هستند. حفره‌های بسیار حساسی بین چشم و بینی به نام عضو چاله‌ای به آنها اجازه می‌دهد تا بدن گرم یک پستاندار را حتی در فاصله یک متری تشخیص دهند. اصول دقیق کار این حسگرهای دما تنها چند سال پیش کشف شد.

دانشمندان با همکاری Chiara Daraio در بخش مهندسی مکانیک و پردازش دانشگاه ETH زوریخ موفق به ساخت یک حسگر دمای مصنوعی بر اساس مواد طبیعی شدند. این حسگر حساس به لطف انعطاف‌پذیری و دیگر ویژگی‌های مفید می‌تواند به زودی به عنوان بخشی از پوست مصنوعی در اندام مصنوعی و یا بازوهای رباتیک مورد استفاده قرار گیرد.

کشف بوسیله چوب مصنوعی

Serendipity نقش مهمی در کشف این حسگر دما ایفا کرده است. Raffaele Di Giacomo که پژوهش Serendipity را در آزمایشگاه استاد Daraio در ETH رهبری می‌کرد، با ویژگی ساختارهای ژلاتینی گیاهی موجود در سبزیجات (پکتین) برخورد کرد. پکتین بین مواد خانگی به عنوان بهترین عامل ژل ساز برای پودینگ و مارمالاد شناخته شده است اما Di Giacomo به یک ویژگی متفاوت این ماده علاقه‌مند شد. ویژگی متفاوت پکتین این است که از مولکول‌های قند به هم پیوسته تشکیل شده است.

آزمایش‌ها بر روی پکتین نشان داده است که هدایت الکتریکی آنها به شدت به درجه حرارت وابسته است. برای بررسی علت این وابستگی، پژوهشگران در زوریخ یک «cyberwood» مصنوعی از پکتین و نانولوله‌های کربنی ساختند (به اخبار ETH در ۳۱ مارس ۲۰۱۵ نگاه کنید).

پژوهشگران در نهایت با اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی در دماهای مختلف متوجه شدند که یون‌های کلسیم به دام افتاده در نقاط تماس بین دو مولکول قند، مسئول مکانیزم حسگر هستند. در درجه حرارت بالا، یون کلسیم آزاد بیشتری در چوب مصنوعی حضور داشت، به همین دلیل جریان الکتریکی را بهتر هدایت می‌کرد.

یک غشای نازک از پکتین

Di Giacomo گفت: «با این روش ما یک ماده ایده‌آل برای ساخت یک حسگر دما بسیار حساس پیدا کردیم. اما چوب مصنوعی به محکمی چوب است و از این رو برای استفاده در پوست مصنوعی مناسب نیست». زمانی موفقیت حاصل شد که Di Giacomo به همراه دانشجوی دکترا، Luca Bonanomi به جای چوب مصنوعی یک غشای نازک ۱۰۰ میکرومتری از ژل ساده پکتین و لعاب داده شده با محلول کلسیم ساختند.

پژوهشگران الکترودهایی را به دو انتهای غشا متصل کردند که به آنها اجازه اندازه‌گیری هدایت الکتریکی را می‌دهد. نتیجه: یک غشای ساده پکتین به راحتی با افزایش دما جریان الکتریکی را هدایت می‌کند. افزون بر این، این غشا نازک و شفاف است و می‌تواند خم شود و براحتی تغییر شکل دهد.

حساسیتی به اندازه مارها

اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر نشان داد که دانشمندان در دانشگاه ETH یک حسگر دما ساخته‌اند که در واقع می‌تواند با عملکرد عضو چاله‌ای بسیار حساس موجود در مارها مطابقت داشته باشد. غشای پکتین می‌تواند از ۱۰ تا ۵۰ درجه سانتیگراد، دما را با دقت یک صدم درجه اندازه گیری کند که قابل مقایسه با حساسیت عضو چاله‌ای مارها و دو برابر حساسیت پوست انسان است.

Di Giacomo افزود: «چه چیزی بیشتر از اینکه ساخت این غشای پکتین بسیار راحت است و شامل هیچ ترانزیستور و یا دیگر قطعات الکترونیکی نیست. این بدان معناست که این غشا مقاوم‌تر از حسگرهای انعطاف‌پذیر موجود است و کمتر از آنها در معرض تداخل قرار دارد».

تفکیک مکانی

به منظور مناسب بودن غشای پکتین برای استفاده در اندام‌های مصنوعی، نه تنها باید زمانی که بر روی سطح صاف قرار دارد کار کند بلکه زمانی که به شدت خم شده است نیز باید کار کند. غشای حساس به دما همه آزمایش‌ها را با موفقیت قطعی پشت سرگذاشت. افزون بر این، غشا باید امکان تشخیص مکان تغییر حرارت را بر روی یک پرده بزرگتر داشته باشد، مشابه پوست انسان که قابلیت تفکیک مکانی احساس گرما و یا سرما را دارد.

پژوهشگران برای آزمایش ویژگی تفکیک مکانی، چند الکترود را در فواصل ۲۵ سانتی‌متری از هم قرار دادند و پرده را به یک شبکه مجازی تقسیم کردند. زمانی که انگشت انسان پرده را در یک موقعیت خاص لمس کرد، پژوهشگران با توجه به تغییر در سیگنال الکترودهای مختلف قادر به تعیین موقعیت انگشت بودند.

Vincenzo Costanza، دانشجوی کارشناسی ارشد سابق و یکی از نویسندگان این مقاله می‌گوید: «ما در حال حاضر الگوریتم‌های کامپیوتری مورد استفاده برای تجزیه و تحلیل سیگنال الکترودها را بهبود بخشیدیم و این حسگر دما به زودی برای آزمایش در زمینه رباتیک و یا پروتز آماده می‌شود».