Учёные из Национального университета Сингапура (National University of Singapore) разработали ультратонкую гибкую электронную кожу eLuminator, которая позволяет буквально увидеть прикосновение. Материал начинает светиться в тех местах, на которые оказывается давление, причём яркость свечения показывает, насколько сильно на него нажимают. Такая технология может найти применение в робототехнике, медицинских инструментах, протезах и носимых устройствах для мониторинга здоровья.
Толщина искусственной кожи составляет всего 70 микрометров — примерно как тонкий человеческий волос. При этом её разрешение достигает 847 точек на дюйм, что позволяет различать мельчайшие особенности поверхности, вплоть до отдельных линий и бороздок отпечатка пальца.
Главная особенность разработки заключается в том, что она объединяет сразу три функции: обнаружение давления, измерение его величины и визуализацию контакта. Для этого не нужны отдельный экран и сложная система обработки сигнала, которые обычно используются в традиционных электронных сенсорах.
Как работает электронная кожа eLuminator
Человеческая кожа обладает сложной системой чувствительных нервных окончаний. Когда мы берём в руку яйцо, нервная система помогает оценить силу захвата и вовремя скорректировать движение, чтобы не раздавить хрупкий предмет. Создать аналогичную способность у роботов гораздо сложнее.
Большинство существующих электронных покрытий используют множество миниатюрных датчиков давления. Они преобразуют механическое воздействие в электрические сигналы, которые затем поступают в контроллер или компьютер. После обработки данные отображаются на отдельном экране либо преобразуются в тактильные сигналы — например, вибрацию.
Такая конструкция требует большого количества соединений и электронных компонентов. Кроме того, чем больше отдельных датчиков размещено на поверхности, тем сложнее обеспечить компактность системы, избежать помех и добиться высокой детализации измерений.
Разработчики eLuminator предложили другой подход: вместо множества отдельных сенсорных элементов они использовали непрерывную чувствительную структуру, которая сама преобразует давление в видимый свет.
В основе устройства лежат три слоя.
- Верхний слой содержит тысячи микроскопических куполообразных структур, реагирующих на механическое воздействие.
- Средний слой состоит из светящегося материала на основе сульфида цинка, легированного медью.
- Нижний слой представляет собой прозрачный электрод.
Когда между электродами подают переменное напряжение, внутри устройства возникает электрическое поле. В обычном состоянии его недостаточно для заметного свечения материала.
Однако стоит прижать электронную кожу пальцем, как микроскопические купола сжимаются. Площадь контакта между слоями увеличивается, а расстояние между электродами уменьшается. В результате электрическое поле в месте нажатия усиливается настолько, что частицы светящегося материала начинают испускать видимый свет.
Чем сильнее давление, тем ярче свечение. Его распределение показывает не только место прикосновения, но и форму контактирующей поверхности.
При этом сжатие меняет электрическую ёмкость устройства. Если подключить считывающую электронику, можно получить и количественные данные о давлении. Таким образом, один тонкий материал одновременно выполняет роль датчика и визуального индикатора.
Отпечатки пальцев — с микроскопической точностью
В ходе испытаний исследователи проверили, насколько подробно eLuminator способна отображать прикосновения. Когда к поверхности прижали кончик пальца, материал воспроизвёл мельчайшие линии и бороздки отпечатка.
Пространственное разрешение устройства составляет около 30 микрометров, что соответствует примерно 847 точкам на дюйм. Видимый отклик возникает приблизительно за 15 миллисекунд — настолько быстро, что изменение свечения практически сразу следует за прикосновением. Электронное считывание давления занимает около 110 миллисекунд.
Диапазон чувствительности простирается от лёгких прикосновений до давления примерно в 180 килопаскалей. Кроме того, материал способен растягиваться более чем вдвое относительно первоначальной длины.
Испытания на долговечность также дали обнадёживающие результаты: устройство сохраняло работоспособность после 1000 циклов изгиба и 4000 циклов повторного механического нагружения.
По словам профессора Лима Чви Тека (Lim Chwee Teck), одного из разработчиков технологии, такой подход делает взаимодействие с тактильной информацией более интуитивным: распределение усилия можно непосредственно наблюдать в момент контакта, не полагаясь исключительно на сложную электронику и отдельные средства отображения.
Зачем электронная кожа нужна медицине
Одна из наиболее перспективных областей применения eLuminator — медицинские инструменты, которым необходимо точно контролировать силу воздействия на ткани.
Во время малоинвазивных операций хирург работает специальными инструментами через небольшие разрезы. В таких условиях оценивать силу захвата и давление на ткани бывает непросто. Если покрыть рабочую поверхность инструмента электронной кожей, области контакта будут подсвечиваться непосредственно в процессе работы.
Исследователи проверили эту возможность, установив материал на лапароскопический хирургический зажим. В экспериментах с искусственными тканями, имитацией кровеносных сосудов и моделью аппендикса свечение показывало, где именно инструмент соприкасается с объектом. При изменении силы захвата менялись яркость и размер светящихся участков.
В перспективе подобная система может помочь хирургам точнее контролировать усилие и снизить вероятность случайного повреждения тканей. Впрочем, для подтверждения клинической эффективности потребуются дальнейшие исследования.
Другое возможное применение связано с диагностикой проблем стопы у людей с диабетом. Избыточное давление на отдельные участки стопы может способствовать образованию язв. Электронная кожа способна создавать подробную карту распределения нагрузки, помогая специалистам выявлять зоны повышенного риска.
В ходе экспериментов исследователи также использовали трёхмерную модель стопы, чтобы продемонстрировать возможности такого картирования давления.
Роботы и протезы смогут лучше чувствовать прикосновения
Ещё одно направление — создание роботов с более развитым осязанием. Современные роботизированные захваты могут выполнять сложные операции, но обращение с хрупкими предметами по-прежнему требует точного контроля силы.
Электронная кожа eLuminator позволит непосредственно видеть, где и с какой интенсивностью робот касается объекта. Это может помочь автоматизированным системам аккуратнее брать предметы, удерживать их без проскальзывания и не прикладывать избыточное усилие.
Та же технология потенциально пригодится при разработке протезов конечностей. Если искусственная рука сможет регистрировать распределение давления на поверхности пальцев и ладони, система управления получит более подробную информацию о захвате. Это позволит точнее регулировать силу сжатия и улучшить взаимодействие пользователя с окружающими предметами.
Высокое разрешение открывает и другие возможности. Поскольку материал способен отображать мельчайшие детали отпечатков пальцев, его можно исследовать как основу для биометрических сенсоров. А гибкость и малая толщина делают eLuminator перспективной платформой для носимых медицинских устройств и новых интерфейсов взаимодействия человека с техникой.
Важно, однако, понимать, что визуализация давления сама по себе ещё не означает полноценного осязания. Чтобы передавать человеку ощущения от прикосновения, протезу потребуется дополнительная система обратной связи. Тем не менее точные данные о контакте могут стать важной частью такой системы.
Что мешает внедрению технологии
Несмотря на впечатляющие результаты, eLuminator пока остаётся экспериментальной разработкой.
Одно из главных ограничений связано с энергоснабжением. В демонстрационных экспериментах устройству требовался внешний источник переменного напряжения с параметрами 150 вольт и частотой 1 килогерц. Для компактного носимого датчика или роботизированного пальца такая схема неудобна.
Исследователям предстоит снизить энергопотребление и повысить чувствительность материала, а также продолжить работу над его практическим применением в медицине.
Если эти задачи удастся решить, электронная кожа сможет упростить конструкцию сенсорных систем, которым сегодня необходимы многочисленные датчики, проводники и отдельные дисплеи. Вместо сложной цепочки преобразований появится тонкая гибкая поверхность, наглядно показывающая силу и форму прикосновения непосредственно в момент контакта.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature Communications.
