3D-geprinte haren: Professor ontwikkelt kleine sensoren om stromings- en omgevingsveranderingen te detecteren

Wimpers en wenkbrauwen vangen stof en vuil op dat in de ogen terechtkomt. Hetzelfde idee geldt voor kleine neus- en oorhaartjes. Op een meer microscopisch niveau helpen de kleine haarachtige trilhaartjes die de menselijke cellen omlijnen, subtiele veranderingen in de omgeving te detecteren en kunnen ze de zintuigen van een persoon stimuleren.

Dit zijn de concepten die promovendus op het gebied van nanowetenschappen en nanotechnologie Phillip Glass en adviseur Daeha Joung, Ph.D., nastreven met hun 3D-geprinte cilia-sensoren aan de Virginia Commonwealth University Department of Physics van het College of Humanities and Sciences. De twee onderzoeken het veld van mechanosensing, een biologische term voor de methoden die het lichaam gebruikt om externe prikkels te verzamelen en deze naar de hersenen te sturen, wat resulteert in zintuigen als aanraking, gehoor, beweging en pijn. Mechanoreceptoren zijn cellen of organen die de detectie uitvoeren.

Nu brengen ze het menselijke concept naar machines en robots.

“Er zijn allerlei plaatsen waar we deze zouden kunnen gebruiken”, zei Glass terwijl hij de kleine, 3D-geprinte sensoren van het laboratorium liet zien die op menselijke haartjes lijken. Bestaande mechanosensingtechnologieën, zei Glass, kunnen aanhoudende druk, snelle druk en temperatuurveranderingen waarnemen. “Maar een gebied dat nog niet zo onderzocht is, is het concept van ‘glijdende’ kracht, bijvoorbeeld het gevoel dat je op je huid krijgt als je kleding uittrekt of aantrekt,” zei Glass.

Het gebruik van de receptoren van het team valt nog te bezien, maar Glass en Joung – een assistent-professor in experimentele biofysica en nanowetenschappen – wijzen op een aantal toepassingen op industrieel, milieu- en biomedisch gebied. Ze schetsen hun bevindingen en de fysica achter hun IP in een artikel uit juli 2023 dat het paar en hun VCU-team publiceerden in Geavanceerde wetenschap“3D-geprinte kunstmatige cilia-arrays: een veelzijdig hulpmiddel voor aanpasbare mechanosensing.”

Toepassingen zouden volgens hen onder meer kunnen bestaan ​​uit minimaal invasieve chirurgische robots die zijn uitgerust met cilia-mechanoreceptoren om kleine veranderingen in druk of temperatuur beter te kunnen detecteren, industriële machines die de lucht- of waterstroom kunnen meten, een robot die braille kan lezen, of detectie van vuil op een zeer gevoelig apparaat. camera lens.

Bij het lezen van braille werden de cilia uitgelijnd in een borstelachtige structuur en vastgemaakt aan een robot, die over een oppervlak werd gesleept met braillepunten erop. Gegevens verzameld door de robot brachten nauwkeurig de vorm van de braille in kaart.

“De technologie van Phillip en Dr. Joung is echt een platform dat in een aantal industrieën kan worden gebruikt, van protheses (denk aan het gevoeliger maken van iemands prothetische vingers of tenen voor aanraking) tot productie waarvoor dynamische vloeistoffen nodig zijn”, aldus Brent Fagg. senior licentiemanager bij VCU TechTransfer en Ventures. “De uitdaging is nu om de juiste partners in een vroeg stadium te vinden om een ​​marktklare applicatie te ontwikkelen, en we praten met een aantal groepen die interesse hebben.”

Het meten van lucht- en waterdebieten is volgens Glass een cruciale kans, die een belangrijke factor is in een groot aantal markten, van fabrieken tot ziekenhuizen. “Zoveel toepassingen en industrieën moeten de snelheid van lucht of water controleren, meten en zelfs voorspellen”, zei hij.

De cilia-sensoren van Glass worden gevormd op een aangepaste 3D-printer met behulp van een materiaal genaamd polycaprolacton (PCL) gemengd met grafeen (een zeer geleidend super nanomateriaal) en een oplosmiddel dat droogt bij contact met lucht. 3D-printen geeft Glass ook de flexibiliteit om cilia van verschillende formaten te printen “door slechts een paar regels code te veranderen.”

“Een van de grote verkoopargumenten van onze technologie is dat we haren van verschillende grootte kunnen printen, die de stimulus anders kunnen voelen”, aldus Glass. “Echt lange haren buigen gemakkelijker dan korte, dus terwijl andere soorten luchtstroomsensoren slechts een enkel stromingsbereik kunnen detecteren, kunnen we onze trilhaartjes in verschillende maten en afstanden printen en ze gevoeliger maken voor een breed scala aan stimuli.”

Voor Joung ondersteunen de sensoren het belang van de natuurkunde als fundamenteel element in toepassingen in de echte wereld. “De grootste kracht van de natuurkunde is dat het de basis vormt voor elke nieuwe toepassing, of het nu een biomedisch apparaat of een technisch proces is”, aldus Joung. “Phillip heeft echt voor een andere aanpak gekozen, waarbij hij uniekheid en creativiteit heeft gebruikt om een ​​nieuw idee te bedenken met potentieel in de echte wereld.”