Более чувствительная электронная кожа, которая может воспроизводить качества нашей кожи, могла бы улучшить жизнь пациентов с разнообразным спектром медицинских проблем и повысить производительность машин, выполняющих деликатные задачи.

По мере развития протезов и протезов растет и потребность в автоматизированном оборудовании, которое может выполнять чувствительные задачи, такие как хирургия. Обе эти области требуют развития лучшего «осязания» и способностей, напоминающих человеческую кожу в электронных скинах (электронных скинах). Дуэт новых исследований, опубликованных в журналах Science представляет материалы, которые могут значительно улучшить способность электроники воспроизводить человеческое осязание, обеспечиваемое кожей.

Это непростая задача. Кожа – самый большой сенсорный орган человеческого тела, содержащий огромное количество механорецепторов и терморецепторов – чувствительных к деформации и температуре соответственно – с множеством нейронов, которые постоянно отслеживают стимулы и непрерывно передают эту информацию в мозг.

Однако конечная цель электронных скинов идет дальше, чем просто имитация осязания. Исследователи также стремятся воспроизвести другие свойства, такие как растяжимость, прочность и самовосстановление. Таким образом, электронные скины могут выступать в качестве настоящей альтернативы человеческой коже как часть человеко-машинного интерфейса.

Делаем электронные скины тонкими, но плотными и чувствительными, но прочными

Есть желательная оговорка, которой должны соответствовать электронные скины: их ношение не должно мешать естественному ощущению кожи пользователя. Это означает создание невероятно тонкого устройства с большим количеством датчиков.

В дополнение к этому, электронная кожа должна быть достаточно прочной, чтобы противостоять трению и повторяющимся физическим воздействиям, но при этом оставаться достаточно тонкой, чтобы не мешать естественному осязанию пользователя. Это область, в которой многие современные электронные скины терпят неудачу, поскольку матрица датчиков, из которых они состоят, также делает их толстыми и громоздкими.

Задачу преодоления этого кажущегося противоречивого сочетания качеств взяли на себя Такао Сомея, Сунхун Ли и команда из Токийского университета. Они использовали процесс, известный как электроспиннинг, чтобы создать датчик, который является тонким и пористым, но все же достаточно прочным, чтобы выдерживать повторяющиеся механические воздействия ».

Датчик, основанный на конструкции, предложенной Акихито Миямото в 2017 году, состоит из двух слоев. Во-первых, изолирующая сетчатая сеть, содержащая полиуретановые волокна толщиной от 200 до 400 нм. Второй включает в себя электронный элемент датчика – конденсатор с параллельными пластинами из золота толщиной всего 13 микрон. Для сравнения: видимая частица пыли имеет толщину 25 микрон. Это чудо нанотехнологической инженерии построено на поддерживающем каркасе из полимера – поливинилового спирта (ПВА), растворимого в воде вещества, – которое команда могла смыть, оставив только золотую структуру, отлитую на нем.

Именно взаимодействие между этими слоями позволяет датчику определять давление. Когда палец, покрытый сенсором, касается объекта, первый слой деформируется. Это приводит к изменению емкости между сеткой и вторым слоем – золотым конденсатором.

Датчик показал себя достаточно надежным, его сжатие в 1000 раз привело к изменению емкости всего на 0,15%. Точно так же он довольно хорошо сопротивлялся трению о предмет, ломался только после 300 циклов и оставался чувствительным на протяжении всего «процесса трения».

Команда также обнаружила, что в тестах с 18 участниками датчик мог измерять давление, подобное давлению голого пальца. Испытуемые сообщили, что датчики не мешали их естественному захвату или чувствительности, считая их незаметными, говорят ученые.

Повышение чувствительности

Пока Сомея, Ли и их команда занимались улучшением качества материала для электронной оболочки, Insang You из Университета науки и технологий Пхохана (POSTECH), Южная Корея, и его коллеги попытались решить еще одну проблему в этой области. А именно, как независимо определять температуру и деформацию.

Есть две проблемы с имитацией этой естественной способности нашей кожи. Во-первых, использование разных типов рецепторов для регистрации этих отдельных входных сигналов приводит к получению массива сенсорных «пикселей» с высокой плотностью разного типа со сложной структурой, что создает значительную производственную проблему. В качестве альтернативы, один и тот же датчик можно использовать для приема этих разных сигналов – так называемый «мультимодальный» датчик, но современные методы этого создают помехи сигнала, которые серьезно ухудшают характеристики электронной оболочки.

Команда POSTECH разработала деформируемую рецепторную пленку, в которой используется процесс, известный как динамика ионной релаксации, для получения показаний обнаружения различных физических величин без интерференции сигнала. Этот подход называется развязанным мультимодальным зондированием. Они использовали эластомер, смешанный с ионной жидкостью, в качестве ионного проводника для разделения измерений температуры и деформации соответственно. Затем команда создала то, что они называют оболочкой IEM, состоящей из массива этих проводников, запечатав их между двумя слоями растягиваемых электродных лент.

Во время тестирования оболочка IEM выполняла независимые измерения деформации и температуры в реальном времени с высокой степенью точности, и исследователи надеются, что она может служить человеко-машинным интерфейсом, позволяющим пользователю идентифицировать различные тактильные входы, позволяющие интегрировать его как в протезные, так и в роботизированные устройства.

Еще раз с чувствами

Обе статьи указывают на впечатляющие достижения в области улучшения электронной кожи, тем самым демонстрируя способность восстанавливать прикосновения и другие ощущения пациентам с повреждением нервов или потерянными конечностями. Каждое исследование предлагает новые решения для существующих технологий, а также обеспечивает упрощенную структуру устройства и улучшенную чувствительность. Все это доставляется без ущерба для естественных ощущений.

Эти результаты послужат вдохновением для разработки новых датчиков и приведут к применению электронных скинов в качестве носимых устройств для мониторинга здравоохранения, сенсорных протезов и роботизированных устройств, а также высокопроизводительных человеко-машинных интерфейсов.

Синью Лю, доцент Университета Торонто

Ссылки

¹ Ли. С., Франклин. С., Хассани. F. A., и др., [2020]«Датчик давления Nanomesh для мониторинга манипуляций пальцами без сенсорного вмешательства», Science, DOI: 10.1126 / science.abc9735

² Ты. И., Mackanic. Д. Г., Мацухиса. Н., и др., [2020]«Искусственные мультимодальные рецепторы, основанные на динамике ионной релаксации», Science, DOI: 10.1126 / science.aba5132

³ Лю. X., [2020]«Все больше и меньше датчиков электронной кожи», Science, DOI: 10.1126 / science.abe7366

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат автору, выраженному в их личном качестве, и не обязательно отражают точку зрения AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, владельца и оператора этого веб-сайта. Этот отказ от ответственности является частью Условий использования этого веб-сайта.