Электронная кожа впервые ощутила прикосновения бабочки
Уже много копий сломано около неприятности создания робототехнического аналога самого большого органа человека. Основной вопрос – как воспроизвести немыслимую чувствительность кожного покрова, что может почувствовать дуновение ветерка от пролетевшего насекомого. Сравнительно не так давно две исследовательские группы из Калифорнии в один момент заявили о собственных впечатляющих ответах.
Первая команда, из Калифорнийского университета в Беркли, выбрала в качестве главного элемента для собственной неестественной кожи нанопроводки. Как информируют учёные в пресс-релизе, они вырастили маленькие германиевые и кремниевые нити на особом барабане, а после этого прокатили этим валиком по подложке – клейкой полиимидной плёнке.
В итоге учёные взяли эластичный материал, в структуру которого были включены нанопроводки, играющие роль транзисторов. Поверх них исследователи нанесли изолирующий слой с периодическим рисунком из узких отверстий, а ещё выше – чувствительную к прикосновению резину (PSR).
Между резиной и нанопроводками при помощи фотолитографии навели проводящие мостики (для этого и пригодились отверстия в слое изолятора) и наконец сдобрили бутерброд узкой алюминиевой плёнкой – финальным электродом. (Подробности авторы совокупности представили в статье в Nature Materials.)
Решётка из узких полупроводниковых нитей, совмещённая с электродами и меняющей в ответ на давление проводимость резиной типа PSR (вверху), перевоплощена калифорнийскими умельцами в «лоскут кожи» (внизу) (иллюстрации Kuniharu Takei et кожный покров./Nature Materials).
Таковой эластичный комплект способен определять и совершенно верно локализовать участки, к каким прикладывается давление. Имя эта кожа взяла очевидное и предсказуемое — e-skin.
Новая разработка разрешает применять в качестве подложки множество материалов, от пластика до резины, и включать в её состав молекулы разных веществ, к примеру антибиотиков (что может оказаться очень серьёзным).
На умелом куске e-skin размером 7 х 7 сантиметров уместилась матрица 19 х 18 пикселей. В каждом из них находились много наноштырей. Такая совокупность была способна регистрировать давление от 0 до 15 килопаскалей.
Приблизительно такие уровни нагрузки испытывает людская кожа при печатании на клавиатуре либо удерживании на весу маленького объекта.
На этом рисунке кожи робота любой тёмный квадратик соответствует одному «пикселю», элементарной точке, несущей ответственность за осязание (иллюстрация Ali Javey and Kuniharu Takei, UC Berkeley).
Учёные показывают на в полной мере определённое преимущество собственной разработки перед аналогами. Большая часть проектов для того чтобы рода надеется на эластичные органические материалы, которым для работы требуется высокое напряжение.
Синтетическая кожа из Беркли – первая, изготовленная на базе монокристаллических неорганических полупроводников. Она функционирует при напряжении всего в 5 вольт. Но что ещё занимательнее — опыт продемонстрировал, что e-skin выдерживает до 2000 изгибаний с радиусом 2,5 миллиметра без утраты чувствительности.
Чувствительность кожи авторы рекламируют красочной фантазией: робот с таким манипулятором имел возможность свободно обращаться с куриным яйцом, не уронив его и не раздавив (иллюстрация Ali Javey, Kuniharu Takei/UC Berkeley).
В качестве очевидной области применения в будущем таковой кожи возможно предположить чувствительные манипуляторы, талантливые оперировать хрупкими предметами.
«В случае если мы желаем, дабы роботы когда-нибудь разгружали стопки, к примеру посуды, хорошо было бы сперва убедиться, что они достаточно чувствительны, дабы ничего не разбить», – говорит Али Джавей (Ali Javey), глава проекта e-skin в Беркли (фото UC Berkeley).
Сверхаккуратную кибернетическую руку возможно дополнительно оснастить датчиками тепла, радиоактивности, веществ, покрыть узким слоем лекарств и применять на пальцах роботов-врачей либо спасателей.
В последнем случае (при работе роботов с людьми) крайне важным с позиций безопасности окажется тот факт, что электронная кожа из Беркли, как и людская, чувствует прикосновение практически мгновенно (в течение миллисекунд). В теории она может всецело покрывать манипулятор робота либо кроме того всю машину.
Вторая разработка, родом из Стэнфордского университета, применяет второй подход. Как информируют учёные, они поместили между двумя электродами слой высокоэластичной формованной резины.
Такая плёнка накапливает заряды подобно конденсатору. Давление сжимает резину – а это, со своей стороны, изменяет число зарядов, каковые способен хранить сандвич, что и определяет электроника благодаря комплекту электродов.
Обрисованный процесс разрешает найти легчайшее прикосновение, что учёные доказали на опыте. Они применяли в качестве тестера мух. На протяжении опыта квадратная матрица со стороной в семь сантиметров и в миллиметр толщиной ощущала посадку насекомых, весящих всего 20 миллиграммов, и реагировала на их касания с высокой скоростью.
Ещё одна иллюстрация чувствительности стэнфордского сенсора: он регистрирует прикосновения перуанской бабочки Chorinea faunus (фото L. A. Cicero/Stanford University).
Под микроскопом матрица похожа на поле, усеянное остроконечными пирамидками. В таком материале пирамидок этих возможно от сотен тысяч до 25 миллионов на квадратный сантиметр, в зависимости от требуемого пространственного разрешения.
Таковой приём (вместо применения целого слоя резины) был нужен, потому, что монолитный материал, как выяснилось, терял собственные свойства при сдавливании – точность регистрации зарядов падала. А свободное пространство около микроскопических пирамид разрешает им легко деформироваться и восстанавливать исходную форму по окончании снятия нагрузки.
прочность и Гибкость стэнфордской электронной кожи были довольно большие. Её нельзя растягивать, но в полной мере возможно сгибать, обернув ею, к примеру, руку робота.
Вверху: доктор наук Чжэнань Бао (Zhenan Bao) – фаворит стэнфордского проекта. Внизу: такая несложная полимерная плёнка с алюминиевыми проводниками послужила отправной точкой в построении новой кожи (фото L. A. Cicero/Stanford University, Stefan C. B. Mannsfeld et al./Nature Materials).
Авторы электронной кожи из Стэнфорда, чья статья кроме этого вышла в Nature Materials, отмечают, что преимущества их технологии – широкий диапазон и дешевизна давлений, что способен измерять подобный бутерброд.
А потому в качестве сфер приложения собственной разработки учёные видят снова же хирургических роботов. Но не только. Неестественная кожа имела возможность бы стать базой электронных бинтов, талантливых подавать сигнал при через чур не сильный либо страшно сильном затягивании.
А ещё подобные сенсоры имели возможность бы совершенно верно фиксировать степень сжатия руками рулевого колеса, своевременно давая предупреждение водителя, что он засыпает.
Обе команды утверждают, что ещё продолжат развивать данное направление опытов. Так что роботы будущего, по всей видимости, однако возьмут кожу, приближённую по возможностям к людской. И пускай снаружи она будет заметно различаться от отечественной – её чувствительность придаст новый суть понятию «андроид».
