העור כהשראה

דוקטורנט בטכניון פיתח עור אלקטרוני מלאכותי המנטר בדיוק רב משתנים פיזיקליים וכימיים שונים. העור, הפועל היטב גם בסביבה מימית, מתקן את עצמו במקרה של נזק וכך משמר תפקוד יציב לאורך זמן

דוקטורנט בטכניון פיתח פולימר רך, גמיש ועמיד למים, שיודע לרפא את עצמו במקרה של "פציעות" כגון שריטה, חיתוך ופיתול. הדוקטורנט, מוחמד ח'טיב, השתמש בפולימר החדש לפיתוח פלטפורמות חישה מתקדמות המנטרות טמפרטורה, לחץ ורמת חומציות ועשויות להתאים למגוון יישומים בתחומים של רובוטיקה, פרוטזות והתקנים לבישים. הפלטפורמה החדשנית יודעת לתקן את עצמה לא רק ברמה המכנית – תיקון החתך ביריעת הפולימר – אלא גם בהיבטים פיזיקליים וכימיים כגון הולכת חשמל וחישה כימית.

הדוקטורנט, מוחמד ח'טיב

הדוקטורנט, מוחמד ח'טיב

ח'טיב, העורך את המחקר בפקולטה להנדסה כימית ע"ש וולפסון בהנחייתו של פרופ' חוסאם חאיק, הציג את הפיתוחים החדשניים בשני מאמרים בכתבי העת Advanced Materials ו-Advanced Functional Materials.

במשך מיליוני שנות אבולוציה התפתח עורם של היונקים לכדי פלטפורמת חישה המאופיינת מצד אחד ברגישות גבוהה לגירויים סביבתיים ומצד שני בעמידות רבה לתנאים עוינים ובהם לחות, מליחות, חום, מתיחה וקיפול. בהשראת העור הטבעי מושקעים מאמצים רבים בפיתוחם של חומרים והתקנים אלקטרוניים מלאכותיים בעלי תכונות דומות, וזאת בגלל הפוטנציאל היישומי העצום שלהם בתחומים כגון רובוטיקה רכה וממשקי אדם-מכונה.

מערכות כאלה מצריכות פיתוח של חומרים רכים שתפקודם אינם נפגע כתוצאה מעיוותים וחתכים. הבעיה היא שחומרים רכים נוטים להיפגע, גם מבחינה תפקודית, לאורך זמן. מכאן נובעת המוטיבציה המחקרית לפיתוחם של חומרים חדשים ושל מערכות חדשות שיודעים לרפא את עצמם, ממש כמו עור האדם לאחר פציעה.

הפרויקט הראשון של ח'טיב, המוצג בכתב העת Advanced Functional Materials, מתאר את התכנון, הבנייה והיישום של אלסטומר – פולימר גמיש ובר מתיחה – בעל תכונות ייחודיות. האלסטומר החדש הוא חומר הידרופובי (דוחה מים) חזק וגמיש מאוד, שיכול להימתח ל-1,000% מאורכו הראשוני בלי להיקרע. אחת מתכונותיו הייחודיות היא האיחוי העצמי – יכולת הנשמרת גם כשהוא מושרה במי ברז, במי ים ובמים עם ערכי חומציות שונות. לאלסטומר זה פוטנציאל יישומי רב בפיתוח התקנים אלקטרוניים רכים ודינמיים הבאים במגע עם מים. במקרה שהפגיעה המכנית בפולימר מתרחשת כשהוא טבול במים, הוא יודע לתקן את עצמו ולמנוע זרמי זליגה, כלומר אובדן זרם מההתקן למים.

פרופ' חוסאם חאיק

פרופ' חוסאם חאיק

 

ח'טיב ניצל את התכונות המבטיחות של הפולימר החדש לפיתוחו של עור אלקטרוני מלאכותי – פרויקט שהוא מציג בכתב העת Advanced Materials. במבנה זהו משולבות תכונות ויכולות רבות ובהן חישה סלקטיבית, עמידות למים, ניטור עצמי ותיקון עצמי. העור המלאכותי מכיל מערך חישה המורכב מחומרים ננומטריים ומנטר בצורה סלקטיבית ובו-זמנית משתנים סביבתיים שונים ובהם לחץ, טמפרטורה וחומציות. לבסוף, בהשראת ריפוי הפצעים בעור האדם, שילב ח'טיב בעור המלאכותי מערכת חדשנית לריפוי עצמי אוטונומי. מערכת זאת מורכבת מרכיבים דמויי-נוירונים, המנטרים נזקים בחלקים האלקטרוניים במערכת, ומרכיבים אחרים המזרזים את הריפוי העצמי במקומות הפגועים. מנגנון זה של תיקון עצמי יאפשר למערכות אלקטרוניות חכמות לבצע ניטור-עצמי של פעילותן ולתקן תקלות תפקודיות הנגרמות מנזקים מכניים.

לדברי ח'טיב, "פלטפורמת החישה החדשה היא מערכת אוניברסלית המפגינה תפקוד יציב בסביבה יבשה או מימית, והיא יכולה להכיל סוגים נוספים של חיישנים כימיים ופיזיקליים (חשמליים). שני הפרויקטים שפרסמנו סוללים דרכים חדשות ואסטרטגיות חדשות לפיתוח אלקטרוניקה בהשראת העור, שתוכל להשתלב בהתקנים לבישים ובהתקני עור אלקטרוני בהקשרים כגון רובוטים מתקדמים ואיברים מלאכותיים."

במחקר שותפים מנהל המעבדה ולאא סליבא, החוקר אור זוהר שעבד על פיתוח החיישנים ואפיונם ופרופ' שמחה סרבניק שעבדה על סימולציות מולקולריות המדגימות את יכולותיו של הפולימר החדש.


המחקר נערך בתמיכת קרן ביל ומלינדה גייטס ובסיוע מענק לפרויקט 
A-Patch (במסגרת תוכנית Horizon 2020).

על החוקרים:

מוחמד ח'טיב השלים בטכניון תואר ראשון בהנדסה ביוכימית והמשיך לדוקטורט במסלול מיוחד שבו הוא התמחה בפיתוח חומרים והתקני חישה מתקדמים המדמים עור. בשבועות הקרובים הוא יסיים את הדוקטורט בפקולטה להנדסה כימית ע"ש וולפסון, ובכוונתו לעבור בקרוב לאוניברסיטת סטנפורד לפוסט-דוקטורט.

מנהל קבוצת המחקר פרופ' חוסאם חאיק, מומחה בניטור רפואי מבוסס חיישנים, הוא ראש המעבדה להתקנים מבוססי ננו-חומרים בפקולטה להנדסה כימית ע"ש וולפסון, חבר במכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה, סגן המשנה הבכיר לשוויון הזדמנויות ודיקן לימודי הסמכה בטכניון.

 

משמאל לימין: איחוי עצמי של חתך ביריעת האלסטומר במהלך 24 שעות.

משמאל לימין: איחוי עצמי של חתך ביריעת האלסטומר במהלך 24 שעות.

 

העור האלקטרוני הרב שכבתי

העור האלקטרוני הרב שכבתי

 

תיקון עצמי של הפולימר מתחת למים:

חיתוך של ההתקן ותיקון עצמי שלו. השיקום הפיזיקלי-חשמלי מודגם באמצעות מנורת הלד: