211service.com
Elektryczna skórka, która rywalizuje z prawdziwą rzeczą
Wrażliwość dotykowa ludzkiej skóry jest trudna do odtworzenia, zwłaszcza na dużych, elastycznych powierzchniach. Jednak dwie kalifornijskie grupy badawcze stworzyły urządzenia do pomiaru ciśnienia, które znacznie rozwijają stan wiedzy.
Wrażliwa skóra: Nowy czujnik dotykowy może wykryć delikatny dotyk lecącego owada.
Jeden, wykonany przez naukowców z Uniwersytetu Stanforda, oparty jest na elektronice organicznej i jest 1000 razy bardziej wrażliwy niż ludzka skóra. Drugi, wykonany przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, wykorzystuje zintegrowane macierze tranzystorów nanoprzewodowych i wymaga bardzo małej mocy. Oba urządzenia są elastyczne i można je drukować na dużych obszarach; są one opisane w tym tygodniu w osobnych artykułach w czasopiśmie Materiały przyrodnicze .
Bardzo wrażliwe powierzchnie mogą pomóc robotom w podnoszeniu delikatnych przedmiotów bez ich łamania, dać protetykom poczucie dotyku i dać chirurgom lepszą kontrolę nad narzędziami używanymi do minimalnie inwazyjnej chirurgii. Naszym celem jest naśladowanie ludzkiej skóry, mówi Zhenan Bao , profesor inżynierii chemicznej na Stanford. Ludzka skóra szybko reaguje na nacisk i może wykrywać obiekty tak małe jak ziarnko piasku i światło jak owad.
Rdzeń urządzenia Bao składa się z przezroczystego polimeru zawierającego krzem, zwanego PDMS. Zdolność tego materiału do przechowywania ładunku jest bezpośrednio związana z jego grubością. Kilka lat temu naukowcy pod kierunkiem Takao Someya na Uniwersytecie Tokijskim wykorzystał tę właściwość, wykorzystując PDMS jako warstwę izolacyjną w elastycznych tranzystorach organicznych, które działały jako czujniki ciśnienia. Jednak te czujniki były ograniczone: po skompresowaniu cząsteczki PDMS zmieniają konformację i powrót do pierwotnego stanu zajmuje im trochę czasu.
Bao rozwiązał ten problem, układając na materiale polimerowym wzór z szeregiem mikrofilarów, które wystają z dotykalnej powierzchni. Taka konstrukcja umożliwia wyginanie się materiału i szybki powrót do pierwotnego kształtu, co oznacza, że możliwe jest wykonywanie pomiarów ciśnienia w krótkich odstępach czasu. Mikrostruktura poprawia również czułość urządzenia. Najdelikatniejszy nacisk, jaki może wykryć ludzka skóra, wynosi około jednego kilopaskala; Urządzenia Bao mogą wykrywać ciśnienia, które są 1000 razy łagodniejsze.
Takie podejście można wykorzystać do wytwarzania elastycznych materiałów za pomocą niedrogich technik drukowania, ale powstałe urządzenie wymaga do działania wysokich napięć. Ali Javey , profesor elektrotechniki i informatyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, zbudował czujniki dotykowe małej mocy oparte na macierzach nieorganicznych tranzystorów nanoprzewodowych. Tranzystory są umieszczone pod warstwą dostępnej na rynku przewodzącej gumy zawierającej nanocząsteczki węgla i połączone z nią. Gdy guma jest ściśnięta, zmienia się jej rezystancja elektryczna, co może być wykryte przez tranzystory. Wyjaśnia, że nanodruty są używane jako aktywna elektronika do prowadzenia czujnika dotykowego na górze.
Tranzystory Nanowire oferują pracę przy niskim napięciu i szybkie prędkości przełączania na elastycznej powierzchni. Podczas gdy urządzenia Bao wymagają do działania około 20 woltów, Javey potrzebuje mniej niż pięć woltów.
Javey stworzył matryce czujników o powierzchni około 50 centymetrów kwadratowych. Bao zbudował okrągłe tablice o średnicy nieco ponad 10 centymetrów. Obaj badacze twierdzą, że rozmiar ich urządzeń jest ograniczony tylko przez narzędzia w laboratorium – w przypadku Javeya rozmiar drukarki kontaktowej, a w przypadku Bao rozmiar formy użytej do ukształtowania PDMS.
Sztuczna skóra może przynieść znaczne korzyści w przypadku manipulacji robotami, mówi Matei Ciocarlie , naukowiec w Willow Garage, firmie zajmującej się robotyką osobistą z siedzibą w Menlo Park w Kalifornii. Gdy robot manipuluje obiektem, obiekt ten może być często ukryty przed kamerami i innymi czujnikami, więc wykrywanie dotykowe może dostarczyć przydatnej informacji zwrotnej. Wykrywanie dotyku może również pomóc robotom w omijaniu przeszkód i lokalizowaniu obiektów w trudnych warunkach. Ciocarlie mówi, że sztuczna skóra musi być w stanie pokryć duże, nieregularne powierzchnie robota, mieć odpowiednią czułość i zakres dynamiczny – wszystkie bardzo istotne wyzwania, które obiecują rozwiązać te nowe technologie.
Nowe urządzenia ze skórą elektroniczną stanowią znaczny postęp w dziedzinie pod względem zużycia energii i czułości, mówi Jan Boland , profesor chemii w Trinity College na Uniwersytecie w Dublinie. Prawdziwym postępem jest jednak odejście od płaskiej geometrii do elastycznego urządzenia, z którego można zrobić coś w kształcie ludzkiego palca, mówi.
Narzędzia chirurgiczne zakończone bardzo czułymi czujnikami dotykowymi mogą dać lekarzom lepszą kontrolę nad tym, ile siły używają podczas minimalnie inwazyjnych operacji. A elastyczna skóra elektroniczna o dużej powierzchni może dopasowywać się do krzywizn przyszłych urządzeń protetycznych. Dzisiejsze protezy są prymitywne – mogą chwytać, ale nie zapewniają dotykowej informacji zwrotnej, zauważa Boland.