Электронная кожа, реагирующая на давление, звук и температуру распознает текстуру поверхности

в 8:52, , рубрики: E-skin, Блог компании iCover.ru, будущее здесь, Здоровье гика, искусственный интеллект, протезирование, робототехника, трансплантология, электронная кожа

image

Приветствуем вас на страницах блога iCover! Свое видение того, как должна выглядеть электронная кожа будущего предложила группа профессора Хон Сан Ли из института Dong-A University Busan в Южной Корее. E—skin или электронная кожа – всего лишь одна из разновидностей искусственной кожи, которая в перспективе может быть использована как человеком, так и роботом. Насколько перспективным видится вариант, предложенный профессором Хоном и в чем принципиальные отличия предложенного им варианта искусственной электрической кожи от альтернативных решений, предложенных ранее?

Одно из основных направлений, которыми сегодня занимается лаборатория профессора Хон Сан Ли – полимерные наноматериалы. Нанокомпозиты, полученные в ее стенах – прозрачные проводящие пленки, ферроэлектрические (сегнетоэлектрические) пленки, газонепроницаемые пленки уже в самой ближайшей перспективе могут быть использованы в самых разных областях, в частности, как часть конструкции органического светодиодного дисплея или дисплея мобильного телефона, в протезировании и робототехнике.

Искусственная кожа профессора Хон

В отличие от альтернативных, уже существующих вариантов искусственной кожи, E—skin, предложенная группой южнокорейских ученых изготовлена из сегнетоэлектрического материала, генерирующего электричество в ответ на внешние раздражители, такие, как давление, температура, звук. В основе структуры конечного продукта – тонкой пленки, чувствующей температуру и давление были использованные разработанные учеными ферроэлектрические нанокомпозиты из поливинилиденфторида (ПВДФ/PVDF) и восстановленного оксида графена, сохраняющего сегнетоэлектрические свойства даже после цикла обработки (формирования из сплава или отливки из раствора) без необходимости дополнительного “дразнения”.

Способность “чувствовать” давление и температуру пленка из такого композита приобретает как раз благодаря сегнетоэлектричеству. Два слоя такой пленки после микротиснения позволяют получить рельефную структуру со значительно улучшенными характеристиками чувствительности к внешнему воздействию. Ребристая поверхность, наподобие рисунка на нашей ладони или пальцах сообщает коже многофункциональность, которая проявляет себя в способности ощущать как динамическое и статическое давление, так и температурное воздействие. Чувствительность созданной группой корейских ученых искусственной электронной кожи, по словам профессора Хон, настолько велика, что удается ощутить даже один лежащий на ней волосок и окружающие звуки.

Как генерируется ферроэлектричество

Электрический заряд в сегнетоэлектрическом нанокомпозите может быть накоплен в полярных фазах при механическом воздействии. Полярные фазы в нанокомпозитах на основе восстановленного оксида графена и поливинилиденфторида было предложено образовать за счет встраивания в структуру ПВДФ. Величина генерируемого напряжения оказывается пропорциональна отношению образуемого заряда к электроемкости.

Сымитировав отпечаток пальца, ученые увязали вместе эпидермическую и дермальную структуры кожи человека. При этом внутренний кожный слой включил в себя механические рецепторы, регистрирующие стационарное давление, остальные – фиксирующие изменения давления и вибрацию. Благодаря рельефу микротиснения двухслойная сегнетоэлектрическая пленка приобретает повышенную чувствительность к звуку и текстуре. Сопротивление электронной кожи меняется при изменении площади соприкосновения внешнего и внутреннего слоя вследствие изменения прилагаемого статического или динамического давления.

Способность реагировать на температурные изменения порождается вследствие механизмов, аналогичных тем, которые стимулируют накопление электрического заряда в полярных фазах. Термодинамические изменения в композитах приводят к изменению контактного сопротивления между слоями восстановленного оксида графена (rGO), что и позволяет ощутить изменения температуры.

“Таким образом, наша электронная кожа – говорит профессор Хон является многофункциональной, наподобие кончика человеческого пальца, чувствующего статическое и динамическое давление, температуру и текстуру одновременно”.

Разработки в этом направлении ведутся уже не первый год и определенные результаты уже достигнуты. Но именно в многофункциональности и состоит принципиальное отличие электронной искусственной кожи, созданной корейскими учеными от вариантов, предложенных научным сообществом до этого момента и обеспечивающими чувствительность на уровне одного или максимум двух ключевых характеристик: динамического давления, статического давления и температуры. Разработка лаборатории Хона позволяет обеспечивать не только все три параметра чувствительности, характерных для человеческой кожи, но и способность реагировать на колебания звуковых волн и распознать особенности текстуры поверхности.

Как электронная кожа “чувствует” звуки

Все достаточно просто. Звук – не более чем изменяющееся во времени давление воздуха. Чувствительности электронной кожи e-skin, которая значительно превышает чувствительность обычного микрофона, оказывается достаточно для того, чтобы ощущать изменения таких колебаний, выявлять закономерности АЧХ и генерировать соответствующие токи.

Нанокомпозиты, созданные в лаборатории профессора Хона имеют пониженное электрическое сопротивление за счет распределения восстановленного оксида графена в ПВДФ и могут быть использованы пьезорезистивные (пьезополупроводниковые) сенсоры и как сегнетоэлектрические сенсоры. Материал получился термопластичным. Используя технологию формования из расплава или отливки из пленок раствора можно заставить его принять и повторить любую форму (к примеру, микромодельные структуры) без ущерба для сегнетоэлектрических и пьезорезистивных свойств.

Таким образом, открывается возможность для создания сцепленных микроструктур на сегнетоэлектрической пленке, позволяющих усилить пьезорезистивную, пьезоэлектрическую и пироэлектрическую чувствительность к динамическим и статическим термомеханическим сигналам. В альтернативных экспериментах, в которых при создании искусственной кожи исследователи использовали пассивную графеновую пену, полевые транзисторы, поляризованные керамические полимеры были получены образцы искусственной кожи, обладающей чувствительностью к давлению и температуре – сказал профессор Хон, но при этом не может быть и речи о том, чтобы воспроизвести микрорельеф с сохранением сегнетоэлектрических свойств.

Очень перспективны для применения электронной кожи с подобными свойствами такие направления, как антропоморфная робототехника, протезирование, создание мобильных устройств с функцией мониторинга состояния здоровья человека, интернет вещей и другие. При этом, в зависимости от области применения, можно будет сместить акцент на преобладании нужных свойств. К примеру, E-skin, используемая в робототехнике должна будет обладать повышенной стойкостью к значительным перепадам давления без потери чувствительности, а будучи использованной для протезирования – располагать дополнительным интерфейсом для трансляции сигналов в мозг.


Уважаемые читатели, мы всегда с удовольствием встречаем и ждем вас на страницах нашего блога. Мы готовы и дальше делиться с вами актуальными новостями, обзорными материалами и другими публикациями, и постараемся сделать все возможное для того, чтобы проведенное с нами время было для вас полезным. И, конечно, не забывайте подписываться на наши рубрики.
Другие наши статьи и события

Автор: iCover.ru

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля