Подводная среда — одна из самых враждебных для электроники. Холод, солёная вода, высокое давление и постоянный контакт с камнями, раковинами и инфраструктурой быстро выводят из строя обычные датчики. Когда что-то ломается, устройство приходится поднимать на поверхность. Исследователи из Национального университета Сингапура предложили решение, вдохновлённое настоящей кожей: мягкую электронную оболочку, которая не только чувствует прикосновения и приближение объектов, но и распознаёт собственные повреждения, а затем самостоятельно их устраняет.
Технология получила название SMES — самовосстанавливающаяся магнитоэлектрическая сенсорная система. Она работает как на суше, так и под водой и описана в журнале Advanced Materials.
Как устроена электронная кожа
SMES состоит из нескольких слоёв мягкого растягиваемого эластомера с жидкометаллическими проводниками. Верхний слой отвечает за обнаружение повреждений. Нижний — магнитоэлектрический — обеспечивает тактильное и бесконтактное восприятие.
В нижней части находится небольшой магнит и катушка из жидкого металла. При нажатии или приближении объекта магнит смещается относительно катушки, и по закону электромагнитной индукции возникает напряжение. Этот сигнал появляется без внешнего питания самой сенсорной части — система частично самопитаемая. Время отклика составляет около 41 миллисекунды, а стабильность сохраняется даже после десяти тысяч циклов работы и десяти дней в имитированной морской воде.
Как кожа чувствует боль и лечится
Когда верхний слой прокалывают или разрезают, токопроводящий путь прерывается, и сопротивление резко возрастает. Этот скачок работает как сигнал боли: система понимает, что произошло именно повреждение, а не обычное касание. Слои специально разделены, чтобы не путать травму с прикосновением.
После повреждения эластомер начинает восстанавливаться благодаря обратимым молекулярным связям. Мелкие проколы возвращают исходные электрические свойства за считаные секунды. Более крупные разрезы нужно слегка прижать, после чего материал продолжает срастаться самостоятельно. В тестах материал показал до 92 % эластичного восстановления. С лёгким нагревом эффективность заживления в воздухе достигала 82 % за семь дней, а под водой — почти 100 % за десять дней. Интересно, что в воде процесс шёл даже лучше, хотя для большинства самовосстанавливающихся материалов влага обычно мешает.
«В нашем организме боль — это защитный сигнал. Она сообщает, что что-то не так, чтобы мы успели отреагировать. Наша разработка даёт подводной электронике такую же способность — чувствовать травму и начинать заживление самостоятельно», — объяснил руководитель проекта доцент Тан Юй Цзюнь (Tan Yu Jun).
Что показали прототипы
Учёные изготовили две демонстрационные системы. Первая — умная перчатка для дайверов. Датчики на пальцах распознают жесты и передают по Bluetooth сообщения: «Всё нормально», «Всплываем», «Погружаемся», «Держу» или «Помощь». Красные светодиоды загораются, если перчатка получила серьёзное повреждение.
Вторая — роботизированная рука, которая может захватывать и переносить объекты под водой. Она следит за целостностью покрытия: зелёный индикатор означает нормальную работу, жёлтый — мелкое повреждение, которое быстро заживёт, красный — серьёзную травму, требующую вмешательства.
В будущем такую «кожу» можно будет использовать в мягких роботах, протезах, носимых устройствах и подводных инспекционных аппаратах. Робот сможет ощупывать трубопровод, вовремя замечать препятствия и даже восстанавливать повреждённые участки сенсоров, не поднимаясь на поверхность.
Пока технология находится на стадии прототипа. Крупные разрезы всё ещё требуют физического совмещения краёв, полное заживление занимает дни, а вспомогательная электроника тоже должна выдерживать подводные условия. Тем не менее уже сейчас видно, что подход, скопированный у живой кожи, может сделать подводные системы гораздо более живучими и автономными.
