Temperature is one of the most valuable sensations that come from a mechanoreceptor of our skin. Communication, exercise, and even sleeping from morning till night need a considerably optimized temperature to feel stability, smoothness, and satisfaction in daily lives. In a living organism, there should be specific and comfortable temperature ranges for individuals. However, the heat from the body and constituents interchange with various energies surrounded the environmental system for a flash moment and continuous state. The importance of homeostasis is the maintenance of qualified conditions that organs, muscles, and even the atomic unit of cells could activate in an adequate state for their purpose, respectively. To accomplish homeostasis, a skin should block the body heat from conduction, convection, and thermal radiation from the inner layer to the outer surface in a cold state. The heat release is crucial not to be heated until some human body goes through severe injuries when the body temperature is too high.
Effective heat management systems have been developed to cool down and heat up to achieve each purpose of devices. Micro-engineering, metal deposition, joule heating, and thermoelectric methods are applied to diverse substrates and devices. The Heating devices based on microstructure show the outstanding capability of blocking thermal radiation by micro-pores of engineered textiles and fabrics. Moreover, metallic particles have been utilized to improve device performance by reflecting every range of radiation. Although the improved heating effect influences higher temperature increasement, pore-based structure and metal combination are vulnerable to strain stress and easy to be delaminated. On the other hand, the cooling devices based on aligned 2D materials such as BN (boron nitride) successfully control the direction of 2D materials for certain direction simultaneously, and based on thermoelectric devices present switching mode to regulate both hot and cold mode for matching temperature of virtual reality systems on the surface of which applicant wear. Nevertheless, the fabrication process and complex routing systems with burdensome energy support circuits to utilize thermoregulate systems make it difficult to be applied to various types of circumstances and daily lives.
Herein, we envision the reversible and dynamic dual-mode electronic skin for homeostasis, optimizing biocompatible hydrogels, conducting polymers, and Omni-axial stretchable patterns. As thermo-responsive hydrogel N-isopropylacrylamide (NIPAM) has a shrunken nature when a temperature is over LCST (lower critical solution temperature), heat preservation occurs because of reflecting thermal radiation dominated by propyl group, which expels hydrogen atoms out of the hydrogel network. Contrary to the under LCST, heat release mode becomes, accommodating hydrogen atoms inside the hydrogel network dominated by an amide group. Kirigami pattern combined with conducting polymer and Ag nanowires in the PNIPAM hydrogel layer makes it possible to regulate temperature depending on the temperature states. This new type of thermoregulatory electronic skin might be a new possibility to solve the critical problem, which is not in the spotlight.
온도는 우리 피부의 기계수용체에서 오는 가장 값진 감각 중 하나이다. 의사소통, 운동, 심지어 아침부터 밤까지 잠을 자는 것은 일상생활에서 안정, 부드러움, 만족감을 느끼기 위해 상당히 최적화된 온도를 필요로 한다. 살아있는 유기체에서는 개개인을 위한 구체적이고 편안한 온도 범위가 있어야 한다. 그러나, 몸과 구성 요소로부터의 열은 짧은 순간뿐만 아니라 연속적인 상태를 위해 주변 시스템을 둘러싸는 다양한 종류의 에너지와 상호 교환된다. 항상성의 중요한 이유는 장기, 근육, 심지어 세포의 원자단위가 각각 목적에 맞는 적절한 상태에서 활성화될 수 있는 자격을 갖춘 상태의 유지 때문이다. 추워진 상태에서 내층부터 외층까지 전도와 대류, 열방사선으로부터 체온을 차단해야 항상성을 달성할 수 있다. 또한, 열 방출은 체온이 너무 높을 때 인간의 일부가 심각한 부상을 겪을 때까지 몸을 데우지 않는 것이 중요하다.
기기의 각 목적 달성을 위해 효과적인 열 관리 시스템이 개발되었다. 다양한 기질과 장치에는 마이크로 엔지니어링, 금속 증착, 줄 가열, 열전 방식이 적용됐다. 미세구조를 기반으로 한 난방장치는 공학적 섬유와 직물의 마이크로 포어로 열방사선을 차단할 수 있는 탁월한 능력을 보여준다. 또한 금속 입자는 모든 범위의 방사선을 반사하여 기기 성능을 향상시키는 데 이용되었다. 가열 효과가 개선되면 온도 상승에 영향을 미치지만, 모공 기반 구조와 금속 조합은 변형 스트레스에 취약하고 탈색되기 쉽다. 반면 BN(Boron nitride) 등 정렬된 2D 소재에 기반한 냉각장치는 특정 방향의 2D 소재 방향을 동시에 제어하는 데 성공했으며, 열전 소자에 기반한 전환모드는 가상현실 시스템의 표면 온도 매칭에 대해 온도와 냉도를 모두 조절하는 역할을 한다. 착용자가 소자를 및 체온조절 옷감을 입을 때. 에너지 지원회로(배터리)및 부담스러운 제작과정, 그리고 복잡한 라우팅 시스템은 다양한 형태의 환경과 일상생활에 적용되기 어렵다.
여기서 우리는 항상성을 위한 가역적이고 역동적인 듀얼 모드 전자피부, 생체적합성 하이드로겔 최적화, 중합체 및 전축 신축성 패턴을 상상한다. 열반응 하이드로겔 N-이소프로필락릴라미드(NIPAM)는 온도가 LCST(임계용액 온도)를 넘을 때 성질이 위축되면서 하이드로겔 네트워크 밖으로 수소 원자를 배출하는 프로필 그룹이 지배하는 열방사선을 반사해 열보존이 일어난다. LCST 하의 상태와는 반대로, 아미드 그룹이 지배하는 하이드로겔 네트워크 내부의 수소 원자를 수용하는 열 방출 모드가 된다. 키리가미 패턴은 PNIPAM 하이드로겔 층의 전도성 폴리머와 Ag 나노와이어가 결합되어 온도 상태에 따라 온도 조절이 가능하다. 이 새로운 형태의 체온 조절 전자피부는 주목을 받지 못하는 중요한 문제를 해결할 수 있는 새로운 가능성이 될 수 있다.
