Sensor “Digital Spider Silk”: Merevolusi Bioelektronik Dengan Teknologi Ramah Lingkungan
Para peneliti telah mengembangkan metode untuk membuat sensor adaptif dan ramah lingkungan yang dapat dicetak secara langsung dan tanpa disadari ke berbagai permukaan biologis, baik itu jari atau kelopak bunga. Kredit: Universitas Cambridge
Peneliti Cambridge telah mengembangkan sensor ringan dan ramah lingkungan, yang terinspirasi oleh sutra laba-laba, yang terintegrasi sempurna dengan permukaan biologis untuk beragam aplikasi dalam pemantauan kesehatan dan realitas digital.
Para ilmuwan telah mengembangkan metode untuk membuat sensor adaptif dan ramah lingkungan yang dapat dicetak secara langsung dan tanpa disadari ke berbagai permukaan biologis, baik itu jari atau kelopak bunga.
Metode yang dikembangkan oleh para peneliti dari Universitas Cambridge ini mengambil inspirasi dari sutra laba-laba, yang dapat menyesuaikan diri dan menempel pada berbagai permukaan. 'Sutra laba-laba' ini juga menggabungkan bioelektronik, sehingga kemampuan penginderaan yang berbeda dapat ditambahkan ke 'jaring'.
Teknologi Sensor Canggih
Seratnya, setidaknya 50 kali lebih kecil dari rambut manusia, sangat ringan sehingga para peneliti mencetaknya langsung ke kepala biji dandelion yang berbulu halus tanpa merusak strukturnya. Saat dicetak di kulit manusia, sensor seratnya menyesuaikan dengan kulit dan mengekspos pori-pori keringat, sehingga pemakainya tidak mendeteksi keberadaannya. Pengujian terhadap serat yang dicetak pada jari manusia menunjukkan bahwa serat tersebut dapat digunakan sebagai pemantau kesehatan berkelanjutan.
Metode rendah limbah dan rendah emisi untuk menambah struktur kehidupan ini dapat digunakan di berbagai bidang, mulai dari layanan kesehatan dan realitas digital, hingga tekstil elektronik dan pemantauan lingkungan. Hasilnya dilaporkan hari ini (24 Mei) di jurnal Elektronik Alam.
Para peneliti telah mengembangkan metode untuk membuat sensor adaptif dan ramah lingkungan yang dapat dicetak secara langsung dan tanpa disadari ke berbagai permukaan biologis, baik itu jari atau kelopak bunga. Seratnya, setidaknya 50 kali lebih kecil dari rambut manusia, sangat ringan sehingga para peneliti mencetaknya langsung pada kepala bunga dandelion tanpa merusak strukturnya. Kredit: Universitas Cambridge
Meskipun kulit manusia sangat sensitif, melengkapinya dengan sensor elektronik dapat mengubah cara kita berinteraksi dengan dunia di sekitar kita secara mendasar. Misalnya, sensor yang dicetak langsung pada kulit dapat digunakan untuk pemantauan kesehatan berkelanjutan, untuk memahami sensasi kulit, atau dapat meningkatkan sensasi 'realitas' dalam aplikasi recreation atau realitas digital.
Tantangan dalam Teknologi Wearable
Meskipun teknologi wearable dengan sensor tertanam, seperti jam tangan pintar, tersedia secara luas, namun perangkat ini mungkin terasa tidak nyaman dan mengganggu. Bahan-bahan tersebut juga dapat menghambat sensasi intrinsik kulit.
“Jika Anda ingin secara akurat merasakan apa pun pada permukaan biologis seperti kulit atau daun, antarmuka antara perangkat dan permukaan tersebut sangatlah penting,” kata Profesor Yan Yan Shery Huang dari Departemen Teknik Cambridge, yang memimpin penelitian tersebut. “Kami juga menginginkan bioelektronik yang benar-benar tidak terlihat oleh pengguna, sehingga tidak mengganggu cara pengguna berinteraksi dengan dunia, dan kami ingin bioelektronik tersebut berkelanjutan dan rendah limbah.”
Para peneliti telah mengembangkan metode untuk membuat sensor adaptif dan ramah lingkungan yang dapat dicetak secara langsung dan tanpa disadari ke berbagai permukaan biologis, baik itu jari atau kelopak bunga. Saat dicetak di kulit manusia, sensor seratnya menyesuaikan dengan kulit dan mengekspos pori-pori keringat, sehingga pemakainya tidak mendeteksi keberadaannya. Pengujian terhadap serat yang dicetak pada jari manusia menunjukkan bahwa serat tersebut dapat digunakan sebagai pemantau kesehatan berkelanjutan. Kredit: Universitas Cambridge
Inovasi dalam Elektronika Fleksibel
Ada beberapa metode untuk membuat sensor yang dapat dipakai, namun semuanya memiliki kelemahan. Barang elektronik fleksibel, misalnya, biasanya dicetak pada movie plastik yang tidak memungkinkan fuel atau kelembapan masuk, sehingga seperti membungkus kulit Anda dengan cling movie. Peneliti lain baru-baru ini mengembangkan perangkat elektronik fleksibel yang dapat menyerap fuel, seperti kulit buatan, namun hal ini masih mengganggu sensasi regular, dan bergantung pada teknik manufaktur yang boros energi dan limbah.
Pencetakan 3D adalah jalur lain yang potensial untuk bioelektronik karena tidak terlalu boros dibandingkan metode produksi lainnya, namun menghasilkan perangkat yang lebih tebal yang dapat mengganggu perilaku regular. Memutar serat elektronik menghasilkan perangkat yang tidak terlihat oleh pengguna, namun tanpa tingkat sensitivitas atau kecanggihan yang tinggi, dan sulit untuk ditransfer ke objek yang dimaksud.
Kini, tim yang dipimpin Cambridge telah mengembangkan cara baru untuk membuat bioelektronik berkinerja tinggi yang dapat disesuaikan dengan berbagai permukaan biologis, mulai dari ujung jari hingga kepala bunga dandelion yang berbulu halus, dengan mencetaknya langsung ke permukaan tersebut. Teknik mereka sebagian terinspirasi dari laba-laba, yang menciptakan struktur jaring canggih dan kuat yang disesuaikan dengan lingkungannya, dengan menggunakan materials minimal.
Para peneliti memintal 'sutra laba-laba' bioelektronik mereka dari PEDOT:PSS (polimer penghantar biokompatibel), hialuronat asam, dan polietilen oksida. Serat berkinerja tinggi dihasilkan dari larutan berbasis air pada suhu kamar, yang memungkinkan para peneliti mengontrol 'kemampuan berputar' serat. Para peneliti kemudian merancang pendekatan pemintalan orbital yang memungkinkan serat berubah menjadi permukaan hidup, bahkan hingga struktur mikro seperti sidik jari.
Pengujian serat bioelektronik, pada permukaan termasuk jari manusia dan kepala biji dandelion, menunjukkan bahwa serat tersebut memberikan kinerja sensor berkualitas tinggi namun tetap tidak terlihat oleh inangnya.
“Pendekatan pemintalan kami memungkinkan serat bioelektronik mengikuti anatomi berbagai bentuk, baik pada skala mikro maupun makro, tanpa memerlukan pengenalan gambar apa pun,” kata Andy Wang, penulis pertama makalah ini. “Ini membuka sudut pandang yang berbeda dalam hal bagaimana elektronik dan sensor berkelanjutan dapat dibuat. Ini adalah cara yang jauh lebih mudah untuk menghasilkan sensor space yang luas.”
Arah Masa Depan dan Komersialisasi
Sebagian besar sensor resolusi tinggi dibuat di ruang bersih industri dan memerlukan bahan kimia beracun dalam proses fabrikasi multi-langkah dan intensif energi. Sensor yang dikembangkan Cambridge dapat dibuat di mana saja dan menggunakan sedikit energi yang dibutuhkan sensor biasa.
Serat bioelektronik, yang dapat diperbaiki, dapat dicuci begitu saja ketika sudah mencapai akhir masa manfaatnya, dan menghasilkan kurang dari satu miligram limbah: sebagai perbandingan, satu cucian pada umumnya menghasilkan antara 600 dan 1500 miligram limbah. limbah serat.
“Dengan menggunakan teknik fabrikasi sederhana, kami dapat menempatkan sensor hampir di mana saja dan memperbaikinya di mana pun dan kapan pun diperlukan, tanpa memerlukan mesin cetak besar atau fasilitas manufaktur terpusat,” kata Huang. “Sensor-sensor ini dapat dibuat sesuai permintaan, tepat di tempat yang dibutuhkan, dan menghasilkan limbah dan emisi yang minimal.”
Para peneliti mengatakan perangkat mereka dapat digunakan dalam aplikasi mulai dari pemantauan kesehatan dan realitas digital, hingga pertanian presisi dan pemantauan lingkungan. Di masa depan, bahan fungsional lainnya dapat dimasukkan ke dalam metode pencetakan serat ini, untuk membangun sensor serat terintegrasi guna menambah sistem kehidupan dengan fungsi tampilan, komputasi, dan konversi energi. Penelitian ini dikomersialkan dengan dukungan Cambridge Enterprise, cabang komersialisasi Universitas.
Referensi: “Penambahan sistem kehidupan yang tak terlihat dengan serat bioelektronik organik” oleh Wenyu Wang, Yifei Pan, Yuan Shui, Tawfique Hasan, Iek Man Lei, Stanley Gong Sheng Ka, Thierry Savin, Santiago Velasco-Bosom, Yang Cao, Susannah BP McLaren, Yuze Cao, Fengzhu Xiong, George G. Malliaras dan Yan Yan Shery Huang, 24 Mei 2024, Elektronik Alam.
DOI: 10.1038/s41928-024-01174-4
Penelitian ini sebagian didukung oleh Dewan Riset Eropa, Wellcome, Royal Society, dan Dewan Riset Bioteknologi dan Ilmu Biologi (BBSRC), bagian dari Riset dan Inovasi Inggris (UKRI).
