Новая электронная кожа с искусственными волосами обнаруживает и предвосхищает многодirectionalное прикосновение

Исследовательская команда из Кемница и Дрездена сделала большой шаг вперед в разработке чувствительной электронной кожи (e-skin) с интегрированными искусственными волосами. E-skin — это гибкие электронные системы, пытающиеся имитировать чувствительность своего натурального человеческого аналога. 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 малейшее тактильное ощущение на человеческой коже и даже распознавать направление прикосновения. Современные системы электронной кожи лишены этой способности и не могут собирать эту критически важную информацию об окружении.

Исследовательская команда исследовала новый путь для разработки экстремально чувствительных и зависящих от направления 3D магнитных полевых датчиков, которые могут быть интегрированы в систему e-skin (активная матрица). Команда использовала полностью новый подход к миниатюризации и интеграции 3D массивов устройств и сделала большой шаг к имитации естественного прикосновения человеческой кожи. Исследователи опубликовали свои результаты в журнале Nature Communications.

Кристиан Беккер, первый автор исследования, сказал: «Наш подход позволяет точную пространственную расстановку функциональных сенсорных элементов в 3D, которые могут быть массово произведены в параллельном производственном процессе. Такие сенсорные системы крайне сложно создать установленными методами микроэлектронного производства».

Ядром сенсорной системы, представленной исследовательской командой, является анизотропный магниторезистивный (AMR) датчик. AMR-датчик может использоваться для точного определения изменений магнитных полей. Сейчас они используются, например, как датчики скорости в автомобилях или для определения позиции и угла движущихся компонентов в различных машинах.

Связанные ссылки:

5 высокотехнологичных материалов, чувствующих и обнаруживающих

С функциональными волокнами рубашка становится ценным микрофоном

Для разработки сверхкомпактной сенсорной системы исследователи воспользовались так называемым «микро-оригами процессом». Этот процесс используется для складывания компонентов AMR-датчика в трехмерные архитектуры, способные разрешать магнитное векторное поле в трех измерениях.

Микро-оригами позволяет разместить большое количество микроэлектронных компонентов в маленьком пространстве и расположить их в геометрии, недостижимой никакими традиционными микрофабрикационными технологиями. «Микро-оригами процессы были разработаны более 20 лет назад, и чудесно видеть, как полный потенциал этой элегантной технологии теперь может быть использован для новых микроэлектронных приложений», — сказал проф. Оливер Г. Шмидт.

Исследовательская команда интегрировала 3D массив микро-оригами магнитных датчиков в единую активную матрицу, где каждый отдельный датчик может быть удобно адресован и считан микроэлектронной схемой. «Сочетание магнитных датчиков активной матрицы с самособирающимися микро-оригами архитектурами — это полностью новый подход к миниатюризации и интеграции высокорезолюционных 3D сенсорных систем», — сказал д-р Данииль Карнаушенко, который решающе способствовал концепции, дизайну и реализации проекта.

Исследовательской команде удалось интегрировать 3D магнитные полевые датчики с магнитно закрепленными тонкими волосами в искусственную e-skin. E-skin изготовлена из эластомерного материала, в который встроены электроника и датчики — похоже на органическую кожу, переплетенную нервами.

Когда волосок касается и гнется, движение и точная позиция магнитного корня могут быть обнаружены нижележащими 3D магнитными датчиками. Сенсорная матрица поэтому не только способна регистрировать голое движение волоска, но и определяет точное направление движения. Как и в настоящей человеческой коже, каждый волосок на e-skin становится полноценным сенсорным блоком, способным воспринимать и обнаруживать изменения в окружении.

Магнито-механическая связка между 3D магнитным датчиком и магнитным корнем волоска в реальном времени обеспечивает новый тип тактильного восприятия. Эта способность имеет большое значение, когда люди и роботы работают тесно вместе. Например, робот может чувствовать взаимодействие с человеком с большим количеством деталей задолго до предстоящего намеренного контакта или непредвиденного столкновения.