Мультисенсорная, умная, искусственная кожа нового поколения, разработанная с использованием гибридного материала 3-в-1.
Команда Института физики твердого тела Технического университета Граца разработала «умную кожу», которая очень похожа на человеческую кожу и одновременно воспринимает давление, влажность и температуру, а также способна генерировать электронные сигналы. Эта работа может указать путь к более чувствительным роботам или более интеллектуальным протезам.
Помимо того, что кожа является нашим самым большим органом чувств, она образует защитный барьер вокруг нашего тела. Обеспечивая постоянную обратную связь, кожа «чувствует» несколько сенсорных сигналов одновременно и сообщает информацию о влажности, температуре и давлении в мозг. Умная кожа может отслеживать физиологические сигналы человека, такие как дыхание, пульс и температура, или обнаруживать обезвоживание. В качестве пути к интеллектуальному восприятию умную кожу можно использовать в искусственных протезах, интеллектуальных роботах и взаимодействии человека с машиной, улучшая продолжительность жизни и здоровье.
Умная кожа — это тонкий материал, который одновременно реагирует на силу, влажность и температуру с чрезвычайно высоким
пространственным разрешением и излучает соответствующие электронные сигналы.
Для Анны Марии Коклите, обладательницы гранта ERC и научного сотрудника Института физики твердого тела Технического университета Граца, материал с такими мультисенсорными свойствами был: «своего рода «Святой Грааль» в технологии интеллектуальных искусственных материалов. В частности, робототехника и интеллектуальное протезирование выиграли бы от более интегрированной и точной сенсорной системы, похожей на человеческую кожу [ 1 ]».
Вместе со своей командой ей удалось использовать новый процесс для разработки умной кожи из гибридного материала «три в одном» для следующего поколения искусственной электронной кожи; результаты этого новаторского исследования опубликованы в журнале Advanced Materials Technologies .
Нежный, как кончик пальца
Почти шесть лет команда Граца работала над созданием смарт-скина в рамках ERC-проекта Coclite Smart Core. С 2000 отдельных датчиков на квадратный миллиметр гибридный материал даже более чувствителен, чем кончик человеческого пальца. Каждый из этих датчиков состоит из уникального сочетания материалов: умного полимера в виде гидрогеля внутри и оболочки из пьезоэлектрического оксида цинка.
Исследовательская группа, разработавшая Smartskin
Coclite объясняет: «Гидрогель может поглощать воду и, таким образом, расширяться при изменении влажности и температуры. При этом он оказывает давление на пьезоэлектрический оксид цинка, который отвечает на это и все другие механические нагрузки электрическим сигналом ».
В результате получается тончайший материал, который одновременно реагирует на силу, влажность и температуру с чрезвычайно высоким пространственным разрешением и излучает соответствующие электронные сигналы.
«Первые образцы искусственной кожи имеют толщину шесть микрометров, или 0,006 миллиметра. Но он мог бы быть еще тоньше», — говорит Коклайт. Для сравнения, эпидермис человека имеет толщину от 0,03 до 2 миллиметров. Человеческая кожа воспринимает объекты размером около одного квадратного миллиметра, но умная кожа имеет разрешение в тысячу раз меньшее и может регистрировать объекты, которые слишком малы для человеческой кожи (например, микроорганизмы).
Обработка материалов на наноуровне
Отдельные сенсорные слои невероятно тонкие, но заполнены сенсорными элементами, которые покрывают всю поверхность. Это стало возможным благодаря использованию того, что, по словам исследователей, является уникальным процессом — впервые комбинируя три известных метода физической химии. Команда объединила химическое осаждение из паровой фазы для материала гидрогеля, осаждение атомарного слоя для оксида цинка и литографию нанопечати для полимерного шаблона .
За литографическую подготовку полимерного шаблона отвечала исследовательская группа «Гибридная электроника и структурирование» под руководством Барбары Стадлобер, входящая в Исследовательский институт материалов Йоаннеума в Вайце.
По словам исследовательской группы, в настоящее время открывается несколько областей применения гибридного материала, похожего на кожу. Например, в здравоохранении сенсорный материал может самостоятельно обнаруживать микроорганизмы и сообщать о них соответствующим образом.
Также на картах есть протезы, которые дают владельцу информацию о температуре, влажности или ощущениях от вещей, или роботы, которые могут более чутко воспринимать окружающую среду.
Когда дело доходит до масштабируемости, умная кожа имеет решающее преимущество: сенсорные наностержни — «умное ядро» материала — производятся с использованием производственного процесса на основе пара. Этот процесс уже хорошо отработан на заводах по производству таких технологий, как, например, интегральные схемы, а это означает, что производство умной кожи может быть легко масштабировано и реализовано на существующих производственных линиях.
Свойства умной кожи теперь еще больше оптимизируются. Анна Мария Коклите и ее команда, в частности аспирант Тахер Абу Али, хотят расширить диапазон температур, на которые реагирует материал, и улучшить гибкость искусственной кожи.
