Электронная кожа, реагирующая на давление, звук и температуру распознает текстуру поверхности

Приветствуем вас на страницах блога iCover! Свое видение того, как должна выглядеть электронная кожа будущего предложила группа профессора Хон Сан Ли из института Dong-A University Busan в Южной Корее. E—skin или электронная кожа – всего лишь одна из разновидностей искусственной кожи, которая в перспективе может быть использована как человеком, так и роботом. Насколько перспективным видится вариант, предложенный профессором Хоном и в чем принципиальные отличия предложенного им варианта искусственной электрической кожи от альтернативных решений, предложенных ранее?

Одно из основных направлений, которыми сегодня занимается лаборатория профессора Хон Сан Ли – полимерные наноматериалы. Нанокомпозиты, полученные в ее стенах – прозрачные проводящие пленки, ферроэлектрические (сегнетоэлектрические) пленки, газонепроницаемые пленки уже в самой ближайшей перспективе могут быть использованы в самых разных областях, в частности, как часть конструкции органического светодиодного дисплея или дисплея мобильного телефона, в протезировании и робототехнике.

Искусственная кожа профессора Хон

В отличие от альтернативных, уже существующих вариантов искусственной кожи, E—skin, предложенная группой южнокорейских ученых изготовлена из сегнетоэлектрического материала, генерирующего электричество в ответ на внешние раздражители, такие, как давление, температура, звук. В основе структуры конечного продукта – тонкой пленки, чувствующей температуру и давление были использованные разработанные учеными ферроэлектрические нанокомпозиты из поливинилиденфторида (ПВДФ/PVDF) и восстановленного оксида графена, сохраняющего сегнетоэлектрические свойства даже после цикла обработки (формирования из сплава или отливки из раствора) без необходимости дополнительного “дразнения”.

Способность “чувствовать” давление и температуру пленка из такого композита приобретает как раз благодаря сегнетоэлектричеству. Два слоя такой пленки после микротиснения позволяют получить рельефную структуру со значительно улучшенными характеристиками чувствительности к внешнему воздействию. Ребристая поверхность, наподобие рисунка на нашей ладони или пальцах сообщает коже многофункциональность, которая проявляет себя в способности ощущать как динамическое и статическое давление, так и температурное воздействие. Чувствительность созданной группой корейских ученых искусственной электронной кожи, по словам профессора Хон, настолько велика, что удается ощутить даже один лежащий на ней волосок и окружающие звуки.

Как генерируется ферроэлектричество

Электрический заряд в сегнетоэлектрическом нанокомпозите может быть накоплен в полярных фазах при механическом воздействии. Полярные фазы в нанокомпозитах на основе восстановленного оксида графена и поливинилиденфторида было предложено образовать за счет встраивания в структуру ПВДФ. Величина генерируемого напряжения оказывается пропорциональна отношению образуемого заряда к электроемкости.

Сымитировав отпечаток пальца, ученые увязали вместе эпидермическую и дермальную структуры кожи человека. При этом внутренний кожный слой включил в себя механические рецепторы, регистрирующие стационарное давление, остальные – фиксирующие изменения давления и вибрацию. Благодаря рельефу микротиснения двухслойная сегнетоэлектрическая пленка приобретает повышенную чувствительность к звуку и текстуре. Сопротивление электронной кожи меняется при изменении площади соприкосновения внешнего и внутреннего слоя вследствие изменения прилагаемого статического или динамического давления.

Способность реагировать на температурные изменения порождается вследствие механизмов, аналогичных тем, которые стимулируют накопление электрического заряда в полярных фазах. Термодинамические изменения в композитах приводят к изменению контактного сопротивления между слоями восстановленного оксида графена (rGO), что и позволяет ощутить изменения температуры.

“Таким образом, наша электронная кожа – говорит профессор Хон является многофункциональной, наподобие кончика человеческого пальца, чувствующего статическое и динамическое давление, температуру и текстуру одновременно”.

Разработки в этом направлении ведутся уже не первый год и определенные результаты уже достигнуты. Но именно в многофункциональности и состоит принципиальное отличие электронной искусственной кожи, созданной корейскими учеными от вариантов, предложенных научным сообществом до этого момента и обеспечивающими чувствительность на уровне одного или максимум двух ключевых характеристик: динамического давления, статического давления и температуры. Разработка лаборатории Хона позволяет обеспечивать не только все три параметра чувствительности, характерных для человеческой кожи, но и способность реагировать на колебания звуковых волн.

Как электронная кожа “чувствует” звуки

Все достаточно просто. Звук – не более чем изменяющееся во времени давление воздуха. Чувствительности электронной кожи e-skin, которая значительно превышает чувствительность обычного микрофона, оказывается достаточно для того, чтобы ощущать изменения таких колебаний, выявлять закономерности АЧХ и генерировать соответствующие токи.

Нанокомпозиты, созданные в лаборатории профессора Хона имеют пониженное электрическое сопротивление за счет распределения восстановленного оксида графена в ПВДФ и могут быть использованы пьезорезистивные (пьезополупроводниковые) сенсоры и как сегнетоэлектрические сенсоры. Материал получился термопластичным. Используя технологию формования из расплава или отливки из пленок раствора можно заставить его принять и повторить любую форму (к примеру, микромодельные структуры) без ущерба для сегнетоэлектрических и пьезорезистивных свойств.

Таким образом, открывается возможность для создания сцепленных микроструктур на сегнетоэлектрической пленке, позволяющих усилить пьезорезистивную, пьезоэлектрическую и пироэлектрическую чувствительность к динамическим и статическим термомеханическим сигналам. В альтернативных экспериментах, в которых при создании искусственной кожи исследователи использовали пассивную графеновую пену, полевые транзисторы, поляризованные керамические полимеры были получены образцы искусственной кожи, обладающей чувствительностью к давлению и температуре – сказал профессор Хон, но при этом не может быть и речи о том, чтобы воспроизвести микрорельеф с сохранением сегнетоэлектрических свойств.

Очень перспективны для применения электронной кожи с подобными свойствами такие направления, как антропоморфная робототехника, протезирование, создание мобильных устройств с функцией мониторинга состояния здоровья человека, интернет вещей и другие. При этом, в зависимости от области применения, можно будет сместить акцент на преобладании нужных свойств. К примеру, E-skin, используемая в робототехнике должна будет обладать повышенной стойкостью к значительным перепадам давления без потери чувствительности, а будучи использованной для протезирования – располагать дополнительным интерфейсом для трансляции сигналов в мозг.