Электронная кожа впервые предвосхищает и воспринимает прикосновения с разных сторон

Исследовательская группа из Хемница и Дрездена сделала большой шаг вперед в разработке чувствительной электронной кожи (e-skin) со встроенными искусственными волосами. Электронные скины — это гибкие электронные системы, которые пытаются имитировать чувствительность своих аналогов из естественной кожи человека. Области применения варьируются от замены кожи и медицинских датчиков на теле до искусственной кожи для гуманоидных роботов и андроидов.

Крошечные поверхностные волоски могут воспринимать и предвосхищать малейшие тактильные ощущения на коже человека и даже распознавать направление прикосновения. Современные электронные системы кожи лишены этой возможности и не могут собирать эту важную информацию о своем окружении.

Исследовательская группа изучила новый способ разработки чрезвычайно чувствительных и зависящих от направления 3D-датчиков магнитного поля, которые можно интегрировать в систему электронной кожи (активную матрицу). Команда использовала совершенно новый подход к миниатюризации и интеграции массивов 3D-устройств и сделала важный шаг к имитации естественного прикосновения к человеческой коже. Исследователи сообщили о своих результатах в журнале Nature Communications.

Кристиан Беккер, первый автор исследования, сказал:«Наш подход позволяет точное пространственное расположение функциональных сенсорных элементов в 3D, которые можно производить массово в параллельном производственном процессе. Такие сенсорные системы чрезвычайно сложно создать с помощью общепринятых методов производства микроэлектроники».

Ядром сенсорной системы, представленной исследовательской группой, является датчик анизотропного магнитосопротивления (AMR). Датчик AMR можно использовать для точного определения изменений магнитных полей. В настоящее время они используются, например, в качестве датчиков скорости в автомобилях или для определения положения и угла движущихся компонентов в различных машинах.

Ссылки по теме:

5 высокотехнологичных материалов, которые чувствуют и обнаруживают

Рубашка с функциональными волокнами превращается в ценный микрофон

Чтобы разработать очень компактную сенсорную систему, исследователи воспользовались преимуществами так называемого «процесса микро-оригами». Этот процесс используется для объединения компонентов датчика AMR в трехмерную архитектуру, которая может разрешать магнитное векторное поле в трех измерениях.

Микро-оригами позволяет разместить большое количество микроэлектронных компонентов в небольшом пространстве и расположить их в геометрической форме, недостижимой с помощью традиционных технологий микропроизводства. «Процессы микрооригами были разработаны более 20 лет назад, и очень приятно видеть, как весь потенциал этой элегантной технологии теперь можно использовать для новых приложений в микроэлектронике», — сказал профессор Оливер Г. Шмидт.

Исследовательская группа интегрировала массив магнитных датчиков 3D-микрооригами в единую активную матрицу, где каждый отдельный датчик можно удобно адресовать и считывать с помощью микроэлектронной схемы. «Сочетание магнитных датчиков с активной матрицей и самособирающихся архитектур микрооригами — это совершенно новый подход к миниатюризации и интеграции трехмерных сенсорных систем с высоким разрешением», — сказал д-р Даниил Карнаушенко, внесший решающий вклад в разработку концепции, дизайна и реализация проекта.

Исследовательской группе удалось интегрировать 3D-датчики магнитного поля с тонкими волосками с магнитными корнями в искусственную электронную кожу. Электронная кожа сделана из эластомерного материала, в который встроена электроника и датчики — аналогично органической коже, которая переплетена нервами.

Когда волосы касаются и изгибаются, движение и точное положение магнитного корня могут быть обнаружены лежащими в основе 3D-магнитными датчиками. Таким образом, сенсорная матрица способна не только регистрировать движение волос, но и определять точное направление движения. Как и в случае с настоящей человеческой кожей, каждый волосок на электронной коже становится полноценным сенсорным блоком, который может воспринимать и обнаруживать изменения поблизости.

Магнито-механическая связь между трехмерным магнитным датчиком и магнитным корнем волоса в режиме реального времени обеспечивает новый тип сенсорного восприятия. Эта способность имеет большое значение, когда люди и роботы работают в тесном сотрудничестве. Например, робот может распознавать взаимодействие с человеком-компаньоном заблаговременно со многими деталями непосредственно перед предполагаемым контактом или непреднамеренным столкновением.