Skin electronics: naadloze integratie van elektronica met het lichaam

We bezoeken de dokter vaak pas wanneer we duidelijk merken dat er iets niet klopt

Een vergelijking die stof tot nadenken geeft: wist je dat zelfs de kleinste vliegtuigen vol zitten met sensoren die voortdurend registreren wat er aan boord gebeurt? Zo wordt elk mogelijk probleem op tijd opgemerkt en kan het opgelost worden voor het kritiek wordt. Het hoeft niet te verbazen dat er nauwelijks ongelukken gebeuren met moderne vliegtuigen en dat de commerciële luchtvaart een van de veiligste manieren is om je te verplaatsen. Wanneer het over ons lichaam gaat, bezoeken we de dokter echter hooguit een paar keer per jaar, en pas wanneer we al duidelijke signalen opmerken dat er iets niet klopt. Vaak blijft er zo niet veel tijd meer over om adequaat te reageren. Het menselijke lichaam is een veel complexer systeem dan een vliegtuig, dus zou het dan niet logisch zijn om er even voorzichtig mee om te gaan?

Binnen het huidige gezondheidszorgparadigma is dat niet eenvoudig, omdat de juiste hardware voor dat constante monitoren nog niet beschikbaar is. Er is nog een lange weg af te leggen voor we uitkomen bij biomedische apparatuur die betaalbaar, energie-autonoom, draagbaar en comfortabel genoeg is om ze voortdurend te willen dragen. De wetenschap en de technologie zijn echter goed op weg. Daar horen uiteraard maatschappelijke bezorgdheden bij rond het verzamelen van gezondheidsgegevens en het risico dat die gegevens onwettig of onethisch gebruikt worden, maar in deze bijdrage beperken we ons graag tot de technologische aspecten van e-skin.

Qua vorm verschilt het menselijke lichaam – zacht, dynamisch en met rondingen – sterk van traditionele elektronica. Bij dat laatste woord denken de meeste mensen aan platte, onbuigzame en onbeweeglijke chips, gemaakt van hard, nogal breekbaar kristalachtig materiaal. Dat klopt in 99,99 % van de gevallen: de kern van elektronische circuits bestaat uit kristallijn silicium, een anorganische halfgeleider die veelvuldig in de aardkorst voorkomt en al decennia het werkpaard van de elektronische industrie is. Dat soort elektronica staat erg ver af van de systemen die we associëren met het woord ‘organisme’: virussen, schimmels, planten, dieren, mensen. Organismen bestaan dan ook letterlijk uit organische materialen, voornamelijk opgebouwd uit koolwaterstofverbindingen en in mindere mate uit stikstof, zuurstof en zwavel, elementen die alomtegenwoordig zijn op onze planeet. Ze bestaan dus uit zachte materie.

Traditionele elektronica kunnen niet zomaar naadloos geïntegreerd worden met het menselijke lichaam

Gezien die grote mechanische en chemische verschillen tussen traditionele elektronica en levende organismen is het niet gek dat men zich afvraagt of standaardelektronica wel de beste technologie is om biomedische apparatuur verder te verbeteren. Traditionele elektronica kunnen niet zomaar naadloos geïntegreerd worden met het menselijke lichaam zonder kwalijke immuunreacties of ongemak te veroorzaken bij de gebruiker. Toch kunnen die twee aparte werelden met elkaar verzoend worden. Tot dusver gebeurt dat op twee manieren: via anorganische en organische e-skin.

In het geval van anorganische elektronische huid wordt een stuk traditionele siliciumelektronica extreem dun gemaakt, slechts een paar nanometer dik, zodat het buigzaam wordt en zich eenvoudig kan aanpassen aan de krommingen van het lichaam. Het voordeel aan deze aanpak is dat ze kan steunen op welbekende, sterk presterende anorganische materialen en op de maturiteit van de processen die al decennia op punt gesteld worden in de elektro-industrie. Het nadeel is dat het inbouwen van rekbaarheid erg complexe pattern engineering vereist, en dat er vaak een beschermende film nodig is om slechte immuunreacties te vermijden.

Een andere manier om de brug te slaan tussen draagbare elektronica en levende organismen is het gebruik van organische e-skin. Hierbij gaat het om een nieuwe klasse elektronische apparatuur, die bestaat uit organische materialen: kleine moleculen en polymeren op basis van koolwaterstofverbindingen. Dergelijke elektrisch geleidende plastics werden voor het eerst beschreven in de jaren ’70, door Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid en Hideki Shirakawa, en bezorgden hen in het jaar 2000 een gedeelde Nobelprijs voor scheikunde. Organische elektronica zijn bijzonder omwille van hun intrinsieke materiële eigenschappen: omdat ze gemaakt zijn van dezelfde elementen als levende organismen kunnen ze hun eigenschappen veel beter nabootsen dan anorganische materialen. Afhankelijk van de gebruikte chemie kan organische apparatuur zacht en rekbaar zijn, biologisch compatibel en/of afbreekbaar, of zelfhelend in geval van beschadiging, waarbij de oorspronkelijke mechanische en elektrische eigenschappen worden hersteld. Al die mogelijkheden maken organische e-skin onconventioneel, maar erg indrukwekkend.

Organische elektronica kunnen de eigenschappen van levende organismen veel beter nabootsen

Dit type elektronica heeft echter ook beperkingen. Op dit moment zijn organische elektronica een pak minder performant en stabiel dan hun anorganische tegenhangers. Daarnaast is het ook nodig om ofwel volledig nieuw materiaal en productiemethodes te ontwikkelen in overeenstemming met de huidige industrie- en marktstandaarden, die op maat geschreven zijn van anorganische elektronica, ofwel die standaarden aan te passen aan de organische situatie. Onvermijdelijk zullen we uiteindelijk uitkomen bij een synergetische, hybride combinatie van organische en anorganische e-skin. Dat zal echter nog even duren, aangezien organische en anorganische elektronica min of meer onafhankelijk van elkaar zijn gegroeid vanuit erg verschillende wetenschappelijke disciplines. Het organische was altijd het vakgebied van chemici en scheikundig ingenieurs, terwijl vooral elektrisch ingenieurs zich bezighielden met het anorganische. De ene groep is niet per se goed op de hoogte van wat de andere doet. Pas de laatste jaren is een nieuwe generatie wetenschappers zich bewuster geworden van het belang van multi- en interdisciplinariteit. Materiaalkundigen zoals ikzelf staan op het snijpunt van verschillende disciplines en zien in dit opkomende veld heel wat mogelijkheden tot baanbrekend onderzoek.

Vóór het jaar 2011 verwees de term skin electronics vooral naar robothuid: wetenschappers wilden robots een zekere tastzin geven door hun oppervlak te bedekken met flexibele druksensoren. Het aantal sensoren en de ruimte ertussen bepaalden waar en hoe accuraat een robot een aanraking kon detecteren: een robot met een hoge sensordichtheid op een bepaalde plek zou erg precies kunnen ‘weten’ waar je hem gepord had. Robothuid kan bijdragen aan een veiligere werkomgeving voor mensen die werken met machines. Wanneer zo’n machine feedback krijgt wanneer er een voorwerp (of mens) de weg verspert, kan ze haar traject onmiddellijk bijsturen en zo de schade aan beide botsende partijen beperken. Skin electronics kunnen ook gebruikt worden in andere machines, zoals – jawel – vliegtuigen, waar bijvoorbeeld temperatuur- of gasstroomsensoren ingebouwd kunnen worden om de vliegcondities en de structurele gezondheid van het toestel te monitoren.

Robothuid kan bijdragen aan een veiligere werkomgeving voor wie werkt met machines

Vandaag heeft ‘skin electronics’ echter een andere betekenis gekregen: die van een elektronische tweede huid, die onzichtbaar gedragen kan worden door mensen zelf. Die tweede huid kan volgeladen worden met sensoren die fysiologische signalen monitoren met een ongekende gevoeligheid, dankzij hun heel nauwe contact met de huid. Dit gebruik werd voor het eerst beschreven in Science, in 2011 dus, door onderzoekers aan de University of Illinois Urbana-Champaign onder leiding van John Roger (tegenwoordig aan Northwestern University, ook in de VS). De onderzoekers noemden hun technologie epidermal electronics, omdat ze een volledig functioneel elektronisch systeem hadden gecreëerd met dezelfde mechanische eigenschappen (stijfheid, elasticiteit, dichtheid enz.) als de menselijke opperhuid. Dankzij die overeenstemming in eigenschappen kan de gebruiker allerlei natuurlijke bewegingen uitvoeren zonder te merken dat hij een elektronisch systeem op de huid draagt; dat systeem wordt dan ook ‘mechanisch onzichtbaar’ genoemd. De technologie in dit pioniersonderzoek was gebaseerd op de anorganische e-skin waar het eerder over ging: conventionele siliciumelektronica, maar dan slechts enkele nanometers dik.

Sindsdien is er heel wat vooruitgang geboekt, zowel in het anorganische als in het organische e-skinonderzoek. Dat laatste is tegenwoordig wellicht het populairste, doordat het veelzijdiger is. Het werk van onder meer Zhenan Bao (scheikundig ingenieur aan Stanford University, VS, en ontvanger van een eredoctoraat aan de KU Leuven in 2021) heeft geleid tot het ontstaan van organische elektronische circuits en sensoren die zich vasthechten aan de huid en samen met die huid uitrekken, inkrimpen en buigen. Bepaalde apparatuur is zelfs luchtdoorlatend en laat zweten toe, wat een pak comfortabeler is voor de drager, en kan zichzelf net als echte huid herstellen bij schade, waardoor er minder onderhoud nodig is. Gebruikers kunnen zo heel wat van hun lichaamsfuncties – temperatuur, transpiratie, zuurtegraad, hartactiviteit, zelfs bloedwaarden – constant en accuraat laten monitoren zonder er last van te hebben. Indien nodig kan dergelijke apparatuur ook, vaak tijdelijk, ingeplant worden in het lichaam, bijvoorbeeld rondom organen of slagaders. Op die manier kan een wonde gemonitord worden of kan medicatie gecontroleerd vrijgegeven worden op de plek waar ze nodig is, bijvoorbeeld na een operatie.

Sommige organische materialen blijken geschikt voor verbinding met het zenuwstelsel

Recent trekt nog een ander interessant aspect van organische e-skin de aandacht: de mogelijkheid tot brain-machine interfacing in toepassingen als zachte elektrodes voor het lezen van hersensignalen of voor gevoelige bionische handen. Sommige organische materialen blijken geschikt voor verbinding met het zenuwstelsel. Dat geldt bijvoorbeeld voor het populaire geleidende polymeer PEDOT:PSS in combinatie met een nanomateriaal als grafeen. PEDOT:PSS combineert ionische geleiding (zoals in zenuwen) met elektronische geleiding (zoals in elektronica dus), waardoor het elektrisch contact kan leggen met het perifere zenuwstelsel en de hersenen zonder al te groot signaalverlies. PEDOT:PSS is bovendien ook biocompatibel en kan even zacht gemaakt worden als de hersenen. Zo ontstaat er geen littekenweefsel dat het elektrische contact belemmert, wat wel het geval is rond harde breinelektrodes. Andere organische materialen, ionische gels, imiteren zenuwsynapsen (verbindingen tussen zenuwen) wanneer ze opgenomen worden in transistoren, de bouwstenen van elektrische circuits.

Die veelbelovende eigenschappen van elektronische polymeren laten ons toe de brug te slaan tussen kunstmatige huid en het zenuwstelsel, en zo zenuwsignalen uit te lezen en elektrische stimulatie te bieden. Een van de meest tot de verbeelding sprekende toepassingen is de ontwikkeling van gevoelige protheses die verbonden zijn met het zenuwstelsel, waarin het oorspronkelijke idee van robothuid en de recentere invulling van elektronische huid samenkomen. Er zou bijvoorbeeld een bionische hand met tactiele feedback ontworpen kunnen worden voor iemand die een hand verloren is. Een normale prothetische hand zou bedekt kunnen worden met een groot, rekbaar oppervlak aan sensoren die dezelfde dingen zouden meten als de receptoren in echte huid: druk, vervormbaarheid, temperatuur… Die sensoren kunnen dan verbonden worden met de zenuwen die dienen voor tactiele feedback, in een proces dat re-innervatie wordt genoemd. Zo krijgen de hersenen signalen van de sensoren en interpreteren ze die alsof ze van de – niet langer aanwezige – huidreceptoren komen. Onderzoek heeft al aangetoond dat het stimuleren van resterende gevoelsbanen kan helpen bij het verlichten van de fantoompijnen die veel patiënten voelen na de amputatie van een lidmaat, en dat het die patiënten ook helpt om hun prothese meer als lichaamseigen te ervaren. Dit soort neuroprotheses doet misschien nogal cyborgachtig aan, maar er bestaan al een aantal artificiële mechanoreceptoren, geïnspireerd op de menselijke huid, die gebruikmaken van organische elektronica. Van het gloednieuwe veld van de nervetronics hebben we het laatste nog niet gehoord.

Er zijn ook toepassingen van e-skin te bedenken die verder gaan dan wat onze eigen huid kan

Als we onze verbeelding even de vrije loop laten, kunnen we ook toepassingen van e-skin bedenken die verder gaan dan wat onze eigen huid kan. Zelfs met de reeds beschikbare technologie zou het mogelijk moeten zijn om een geüpgradede huid te ontwikkelen die UV-straling, luchtvervuiling of schadelijke chemicaliën kan detecteren en die info kan weergeven op een ingebouwd schermpje, of die een vingertop koud of heet kan laten worden om iets anders af te koelen of te verwarmen…

Er is al heel wat vooruitgang geboekt, maar natuurlijk wachten ons nog tal van uitdagingen in het onderzoek naar e-skin. Eén daarvan is energie. Hoe meer functies verpakt worden op een kleine oppervlakte, hoe meer energie het hele systeem verbruikt. Dat vraagt op dit moment om batterijen die te groot zijn om nog onmerkbaar te blijven. Als we e-skin op een efficiënte manier van energie willen voorzien, moeten we dus misschien harvesters ontwikkelen die die energie kunnen onttrekken aan hun omgeving. Dat is precies waar mijn onderzoeksgroep aan de KU Leuven op inzet. Onze eigen huid kan die energie leveren via de lichaamswarmte die ze loslaat, aan een constante temperatuur van (ongeveer) 37 graden Celsius. Die warmte-energie zou ‘afgetapt’ kunnen worden via thermo-elektrische materialen die elektriciteit produceren uit het temperatuurverschil tussen de huid en haar omgeving. Een andere mogelijke energiebron is licht, dat geoogst kan worden via fotovoltaïsche cellen op die stukken huid die in aanraking komen met de zon of andere lichtbronnen. Beweging en wrijving kunnen ook mechanische energie opwekken, die omgezet kan worden in elektriciteit via piëzo-elektrische of tribo-elektrische apparatuur. Tot slot kan enzymactiviteit op de huid ook kleine hoeveelheden bruikbare chemische energie opwekken.

Je zou dus kunnen zeggen dat er een mooie toekomst in het verschiet ligt voor de volgende generatie biomedische apparatuur, met dank aan de voortdurende vooruitgang in de materiaalkunde en ingenieurswetenschap. Daarbij kan een belangrijke rol weggelegd zijn voor de ontwikkeling van huidachtige elektronische apparatuur die naadloos geïntegreerd wordt op of in ons lichaam en ons welzijn constant en onmerkbaar in de gaten houdt.

Francisco Molina-Lopez is sinds 2019 assistent-professor aan het departement Materiaalkunde van de faculteit Ingenieurswetenschappen aan de KU Leuven. Hij voert onderzoek naar het printen van functionele materialen en het ontwikkelen van rekbare apparatuur voor energie- en zintuiglijke toepassingen.