Ga verder na de inhoud
Eredoctor Zhenan Bao: Een tweede huid vol elektronica
© Bao Lab, Stanford
Onderzoek

Eredoctor Zhenan Bao: Een tweede huid vol elektronica

Wat komt er na de smartphone? Misschien een artificiële huid volgestouwd met elektronica op en in ons lichaam.

8 minuten
21 januari 2021

Met deze generatie smartphones lopen we constant in de hand. De volgende generatie zou weleens op de hand kunnen zitten, als een artificiële huid die volgestouwd zit met elektrische circuits, actuatoren en sensoren. Dankzij nieuwe materialen gaat het richting skin electronics.

Wij zijn al wat gewoon geraakt aan wearables, zoals slimme brillen en horloges, fitness trackers en VR-brillen voor computergames. Tot nader order dragen we die mobiele gadgets als een soort accessoire. En dat heeft alles te maken met de materialen waarvan elektronische apparaten worden gemaakt en met de energie die deze wearables slurpen.

Over vijftien jaar leven we in een nieuw tijdperk, de smartphone voorbij. Zo vertelt ons Zhenan Bao, professor chemische ingenieurstechnieken aan de universiteit van Stanford en kersvers eredoctor aan KU Leuven. “De elektronica van vandaag is gebouwd met harde en breekbare materialen. De toekomstige technologie zal in onze kledij ingebouwd zijn, maar ook rechtstreeks op ons lichaam aangebracht of zelfs geïmplanteerd. Daarom ontwerpen we nu nieuwe, organische elektronische materialen: die zijn buigzaam en ze kunnen zichzelf repareren, net zoals ons lichaam. Soms zijn ze zelfs biologisch afbreekbaar. En ze bevatten sensoren, elektrische circuits en displays, zodat er voortdurend kan worden gemeten en gecommuniceerd met de omgeving.”

Artificiële huid

Met andere woorden, het is een zoektocht naar een tweede huid, een synthetische en verbeterde versie van de menselijke huid. “Skin electronics”, noemt Bao het. Net zoals ons eigen vel met miljoenen zenuwuiteinden aanraking, druk, hitte of pijn registreert, zo zou een artificiële huid met sensoren onze temperatuur, bloeddruk, hartslag en bloedsuikerspiegel kunnen meten. En net zoals onze huidprikkels worden omgezet in signalen naar de hersenen, zo kan de huidelektronica draadloos signalen doorsturen naar een smartphone of computer, en in de toekomst zelfs rechtstreeks naar ons brein. En komt er een scheurtje in, dan herstelt de elektronica zichzelf.

De ontwikkeling van deze skin electronics is te danken aan nieuwe, organische materialen. Dat zijn materialen die uit dezelfde elementen bestaan als levende wezens: vooral koolstof, in combinatie met waterstof, stikstof, zuurstof en zwavel. Het maakt dat organische materialen licht, flexibel en biocompatibel zijn. Het bekendste voorbeeld in de organische elektronica is oled – organic light-emitting diode – een materiaal dat gebruikt wordt voor schermen voor televisies en smartphones. En er wordt ook geëxperimenteerd met ultradunne oprolbare zonnepanelen die worden geprint met organische materialen.

De elektronische huid is eigenlijk een dun laagje elastisch plastic dat vooral bestaat uit polymeren. Dat zijn grote moleculen die uit een keten van kleine – in dit geval organische – bouwstenen bestaan. “Het is een nieuwe generatie van plastic materialen die biocompatibel en functioneel zijn. Biocompatibel omdat het om organische moleculen gaat die veilig zijn op of in het menselijk lichaam. En functioneel omdat deze polymeren elektriciteit kunnen geleiden. Je kan de atomen in de polymeren zo schikken dat ze geleiders worden, zoals koper, of halfgeleiders, zoals silicium.” En voor die skin electronics zijn er een hele reeks interessante toepassingen.

Net zoals ons eigen vel met miljoenen zenuwuiteinden hitte registreert, zou een artificiële huid met sensoren onze temperatuur kunnen meten.

Kleefpleister

Een voorbeeld van een toepassing op korte termijn is de elektronische huid als kleefpleister die je gezondheid in het oog houdt: de band aid electronics kunnen bijvoorbeeld gegevens over je bloeddruk monitoren en doorsturen. De start-up Pyrames, waarvan Bao medestichtster is, werkt daaraan: “Bij baby’s die op de dienst intensieve zorgen liggen is het heel belangrijk om via de bloeddruk hun conditie goed op te volgen. Momenteel gebeurt dat nog via een naald: pijnlijk en heel moeilijk bij zo’n fragiel kleintje.” Daarom ontwikkelt de start-up nu een draagbare bloeddrukmeter met zeer gevoelige druksensoren op de pols: flinterdun en zo groot als een postzegel. Die wordt letterlijk onder een pleister aangebracht.

Een stap verder is de elektronische huid als implantaat. Bijvoorbeeld om een kleine sensor op een slagader aan te brengen om de bloedstroom te monitoren. “Of, als we een stukje elektronische huid rond een zenuw zouden kunnen plaatsen, kan de e-huid die zenuw stimuleren: dat zou een oplossing kunnen bieden voor verlamde mensen.” Biodegradeerbare skin electronics bieden dan weer andere opties. Na een operatie zou de chirurg een stukje elektronische huid kunnen inplanten dat een tijdje meet of alles goed gaat en daarna vanzelf vergaat. Dergelijke implantaten zullen wel langer op zich laten wachten omdat implantaten langdurig getest moeten worden op veiligheid.

De toekomstige elektronica zal rechtstreeks op ons lichaam aangebracht of zelfs geïmplanteerd worden, met buigzame en soms zelfs biologisch afbreekbare materialen.
De toekomstige elektronica zal rechtstreeks op ons lichaam aangebracht of zelfs geïmplanteerd worden, met buigzame en soms zelfs biologisch afbreekbare materialen.
© Bao Lab, Stanford

Slimme prothese

Een elektronische huid kan onze menselijke huid niet alleen aanvullen, maar ook echt vervangen: “Stel dat je een elektronische huid vol sensoren rond een prothesehand wikkelt, dan zou je daarmee de tastzin kunnen nabootsen. Zo kan je mensen die een ledemaat hebben verloren, opnieuw laten voelen.” De uitdaging bij zo’n slimme prothese is dat je niet één sensor moet inbouwen, maar miljoenen – zoals de miljoenen zenuwuiteinden in onze vingertoppen. En daarbij nog de nodige circuits om alle signalen te verwerken die de patiënt in staat stellen om te voelen en de prothese te besturen. Bao denkt zelfs al verder: “Op termijn zouden we onze sensorische elektronica kunnen aansluiten op het menselijk zenuwstelsel.” Zo wordt de prothese echt verbonden met het brein.

Stel dat je een elektronische huid vol sensoren rond een prothesehand wikkelt, dan zou je daarmee de tastzin kunnen nabootsen.

En wat op een prothesehand kan, kan ook op een robothand. Huidelektronica kan een robot meer behendigheid geven, vertelt Bao. “De huidige robotica bestaat uit harde materialen, zonder sensoren voor fijngevoeligheid. Dat leidt tot ongelukken als mens en robot interageren.” Een operatierobot die een chirurg assisteert, moet immers weten hoe diep ie moet snijden. Het Bao Lab in Stanford ontwikkelde een elektronische handschoen voor een robothand, met verschillende lagen van sensoren die de intensiteit en de richting van druk meten. “We kunnen al een robothand programmeren die een framboos kan aanraken zonder die te pletten. Maar het is nog geen robot die een framboos kan voelen, identificeren én vervolgens voorzichtig oppikken.

Band aid electronics kunnen bijvoorbeeld gegevens over je bloeddruk monitoren en doorsturen.
Band aid electronics kunnen bijvoorbeeld gegevens over je bloeddruk monitoren en doorsturen.
© Bao Lab, Stanford

Grotere energiedichtheid

Met nieuwe materialen voor de wearables van vandaag of de skin electronics van morgen komen we er nog niet. Een groot probleem blijft dat al deze hightech snufjes stroom nodig hebben, batterijen dus. Terwijl de micro-elektronica razendsnel evolueerde, bleef de batterijtechnologie achterop hinken. Denk maar aan de lithium-ion batterij van de smartphone, die na een tijdje minder en minder lang meegaat.

De uitdaging is dus om kleine, heroplaadbare batterijen met een grotere energiedichtheid te maken. Ook daar wordt gekeken naar nieuwe materialen, onder meer bij lithiummetaalbatterijen. Maar die nieuwe generatie batterijen heeft op haar beurt nadelen: het materiaal in de batterij zet uit bij het opladen en krimpt weer bij gebruik. Mettertijd gaat het materiaal er daardoor op achteruit en vermindert de capaciteit van de batterij – net niet de bedoeling. Bovendien kan zo’n batterij een kortsluiting veroorzaken of in brand vliegen.

Skin electronics kan een robot de nodige behendigheid geven.
Skin electronics kan een robot de nodige behendigheid geven.
© Bao Lab, Stanford

Rekbare batterij

In Stanford werken ze niet alleen op lithiummetaalbatterijen die langer meegaan, maar ook op rekbare batterijen. Het team van Bao ontwikkelde een nieuwe coating voor lithiummetaalbatterijen: die bestaat uit een type polymeren dat lithiumionen helpt te bewegen, maar solide is en dus niet kan lekken. Tegelijk kan het materiaal uitrekken tot bijna tweemaal de originele lengte, zonder energieverlies. “We hebben al prototypes van batterijen met deze nieuwe technologie. Maar er is nog veel werk voor de boeg, want je moet een oplossing vinden die werkt voor alle onderdelen van de batterij.” Toch duikt het toekomstbeeld al op: een elektronische huid met zijn eigen, rekbare batterij ingewerkt.

De onderzoeksgroep van Bao in Stanford is lang niet de enige die onderzoek doet naar skin electronics of nieuwe batterijen. Maar Zhenan Bao steekt er met kop en schouders bovenuit omdat ze een rechte lijn trekt van de chemie van nieuwe materialen naar de productie van toepassingen. “Ik heb geleerd om te vertrekken vanuit de problemen van vandaag om nieuwe fundamentele wetenschap te ontwikkelen.” Het klinkt heel vanzelfsprekend, maar dat is het niet en het is wat haar werk zo uniek en bijzonder maakt. Als wereldautoriteit op het vlak van organische elektronica ontvangt Bao op het Patroonsfeest van KU Leuven een eredoctoraat.

De uitdaging bij zo’n slimme prothese is niet één sensor in te bouwen, maar miljoenen – zoals de miljoenen zenuwuiteinden in onze vingertoppen.
De uitdaging bij zo’n slimme prothese is niet één sensor in te bouwen, maar miljoenen – zoals de miljoenen zenuwuiteinden in onze vingertoppen.
© Linda Cicero, Stanford

Rolmodel

Professor Francisco Molina-Lopez van het Departement Materiaalkunde werkte als postdoctoraal onderzoeker een paar jaar in het Bao Lab in Stanford. “Bao is voor vele onderzoekers een inspiratiebron en rolmodel, omdat ze fundamenteel en toegepast onderzoek op een multidisciplinaire manier combineert. En ze leidt haar onderzoeksgroep op een manier die nieuwsgierigheid en samenwerking vooropstelt.” Molina-Lopez is promotor van het eredoctoraat, samen met collega Marc Heyns die ook verbonden is aan onderzoekscentrum imec.

Eigenlijk gaat het bij het werk van Bao om een heel ander type elektronica dan wat we gewoon zijn, voegt Heyns toe. De elektronische apparaten van nu zijn gebouwd met anorganische componenten: silicium, germanium, metalen ... “Die materialen zijn rigide en betrouwbaar. De technologie staat op punt, maar botst op haar grenzen. Om nog meer vooruitgang te boeken, zijn we afhankelijk van nieuwe materialen.” En net daar maakt Bao een verschil: “Ze toont in haar vele papers in Nature en Science niet enkel aan dat iets mogelijk is. Ze denkt ook telkens al een paar stapjes vooruit, over hoe je het materiaal kan fabriceren en toepassen.”

Het toekomstbeeld duikt al op: een elektronische huid met zijn eigen, rekbare batterij ingewerkt.

Chaotisch

Dat met organische materialen bereiken is niet evident, vervolgt Molina-Lopez. “Organische materialen gedragen zich van nature wat meer chaotisch en presteren minder. Maar ze hebben vele voordelen: ze geleiden elektriciteit en zijn bovendien goedkoop en makkelijk te produceren. En doordat ze rekbaar en niet giftig zijn, kan je ze op of in het lichaam gebruiken.”

Molina-Lopez bouwt ondertussen in Leuven zelf een onderzoeksgroep uit. Het doel is om te onderzoeken hoe je elektriciteit kan winnen uit restwarmte, warmte die vrijkomt bij allerlei industriële processen en die niet verder gebruikt wordt. “We onderzoeken hoe we met halfgeleidende polymeren die thermo-elektriciteit kunnen winnen en hoe we die nieuwe materialen met 3D-printing kunnen fabriceren. Maar het gaat er vooral om de prestaties van die polymeren te verbeteren door de moleculen op elkaar af te stemmen; ik ga – net zoals Bao – spelen met polymeren op moleculair niveau.”