Исследователи создали искусственную кожу, которая различает направления прикосновений

01.05.2022

Исследовательская группа из Хемница и Дрездена разработала чувствительную электронную кожу (e-skin) со встроенными искусственными волосами. Они попытались сымитировать чувствительность естественной кожи человека. Крошечные волоски смогли воспринимать и предвосхищать малейшие тактильные ощущения на коже человека и даже распознавать направление прикосновения.

Такую кожу можно применять как в медицинских датчиках на теле, так и при создании человекоподобных роботов. 

Исследовательская группа под руководством профессора доктора Оливера Г. Шмидта, руководителя кафедры материальных систем для наноэлектроники, а также научного директора Исследовательского центра материалов, архитектур и интеграции наномембран (MAIN) в Хемницком технологическом университете, исследовала новый путь разработки чрезвычайно чувствительных и зависящих от направления 3D-датчиков магнитного поля, которые можно интегрировать в систему электронной кожи. Команда использовала новый подход к миниатюризации и интеграции массивов 3D-устройств.

Кристиан Беккер, доктор философии и студент исследовательской группы профессора Шмидта, говорит, что «подход позволяет обеспечить точное пространственное расположение функциональных сенсорных элементов в 3D, которые могут производиться серийно».

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

Чтобы разработать сверхкомпактную сенсорную систему, исследователи воспользовались так называемым «процессом микро-оригами». Этот процесс применяется для объединения компонентов датчика AMR в трехмерные архитектуры, которые могут разрешать магнитное векторное поле в трех измерениях. Микро-оригами позволяет разместить большое количество микроэлектронных компонентов в небольшом пространстве и расположить их в той геометрической последовательности, которая недостижима с помощью традиционных технологий микропроизводства. «Процессы микро-оригами были разработаны более 20 лет назад, и замечательно видеть, как весь потенциал этой элегантной технологии теперь можно использовать для новых приложений микроэлектроники», — говорит Шмидт.

Исследовательская группа объединила массив магнитных датчиков трехмерного микро-оригами в единую активную матрицу, где каждый отдельный датчик может быть удобно считан микроэлектронной схемой. «Сочетание магнитных датчиков с активной матрицей и самособирающихся архитектур микрооригами — это совершенно новый подход к миниатюризации и интеграции систем 3D-датчиков с высоким разрешением», — говорит доктор Даниил Карнаушенко, внесший решающий вклад в разработку концепции и дизайна 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 встроены электроника и датчики.

Когда происходит соприкосновение с волосками, движение и точное положение магнитного корня может быть обнаружено лежащими в их основе трехмерными магнитными датчиками. Таким образом, сенсорная матрица способна не только регистрировать движение волосков, но и определять точное направление движения. Как и в случае с настоящей человеческой кожей, каждый волосок на электронной коже становится полноценным сенсорным блоком, способным 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 электронной кожи. 

Это, в частности, позволит будущим роботам распознавать взаимодействие с человеком заблаговременно до предполагаемого контакта или непреднамеренного столкновения.

Источник: habr.com/ru/news/t/663890/