Електронна шкіра

На сьогоднішній день на всіх світах розроблені людоїдні роботи, біонічні протези, штучні органи. Можливо, в даний момент вчені і дизайнери є найбільш поширеними в протезуванні. На жаль, зовнішній вигляд цих шедеврів біоінжинірингу ще залишає бажати кращого з точки зору нездатності від живого м'яса. Крім того, для успішного використання таких протезів необхідно візуальний контроль, оскільки штучна кінцівка позбавлена тактильних відчуттів. І вирішувати всі ці проблеми, вчені розвивають штучну електронну шкіру. Який успіх досягається так далеко?

Штучна тактильна чутливість у людей та машинах все ще є великою кількістю художніх фільмів і книг. Але є підстави вважати, що найближчим часом з’являться перші реальні інженерні зразки існуючих систем. Більш того, крім протезування та оснащення роботів, технологія штучної шкіри обіцяє знайти застосування в галузі зносних гаджетів.

По собі роботи давно не здивовані нікому, крім старих жінок з задніх вод. А більш механічна «крема» проникла в наше повсякденне життя, що, здається, неминуче, більш важливо, щоб зробити їх «жіночий шкірений». Це буде необхідно принаймні для забезпечення безпеки власного функціонування: крім форми об'єктів, необхідно визначити слизькість, фактуру і температуру поверхні, інакше робот може знизити об'єкт або попадати себе. Відчуття властивостей об'єкта, робот зможе точно розрахувати необхідну і достатню силу затримки.

Ця перевага розподіленої мережі датчиків, що дозволяє точно вимірювати невеликі зміни тиску, привертає увагу виробників і ентузіастів зносних гаджетів і смарт-купе. Штучна електронна шкіра (E-skin) також може бути корисною при створенні зносних датчиків моніторингу фізичного стану, і навіть знайти застосування в малоінвазивних операціях.

М'якість, гнучкість і еластичність Як вже згадувалося, гнучка штучна шкіра особливо затребувана в галузі протезування. Сучасні високотехнологічні протези з використанням міоелектричних інтерфейсів отримують сигнали безпосередньо з м’язової тканини людини і за допомогою комплексних алгоритмів перетворюють їх в рух моторів серво. Але, незважаючи на зусилля дизайнерів, щоб надати штучні протези найбільш природний вигляд, їх штучність буде дуже помітним. І найголовніша роль в цьому сприйнятті - твердість зовнішньої оболонки протезів. Не вигинає і не розтягує як справжня шкіра, і не потрібно говорити про дотик.

Справжній прорив в області штучної шкіри з'явиться, коли він керує домішками механічних властивостей шкіри людини. Це дозволить вам максимально ефективно взаємодіяти з об'єктами і зберегти людей з протезами від частки лева дискомфорту і незручності.

Однак це також одна з основних труднощів. Адже для того щоб шкіра точно повторити контури об'єктів, електроніки, що містяться в ній, також повинні бути гнучкими. На жаль, майже вся сучасна мікроелементна база не може похвалитися такою властивістю. Хоча багато зусиль були зроблені розробниками, щоб вирішити цю проблему. Наприклад, перші спроби створення штучної шкіри були надруковані на гнучких підкладках з паяльними до них стандартними мікроелектронними компонентами і датчиками. Такі розчини були надзвичайно клеємні, так як готові вироби були поверхневими, під якими твердими «острівами» електронних компонентів, підключених до одного традиційними металевими паяльцями.

Однак цей підхід утворився на основі проекту Робоскін. Зовнішня кришка була напівживим матеріалом з вбудованими датчиками та електронними засобами. Звичайно, це було далеко від поняття «худий», але таке покриття забезпечувало мінімальні тактильні можливості і добре підходить для використання на великих поверхнях складних форм. Цей штучний прототип шкіри навіть був протестований на різних роботах, включаючи iCub.

Ще один цікавий підхід до створення е-скіна був застосуванням органічних напівпровідників тонкопрофільних напівпровідників. Ця технологія була розроблена вченими університетами Токіо та Стенфорда. У зв’язку з особливостями їх молекулярної структури, органічні напівпровідники спочатку гнучкі, що є найбільш важливою перевагою. З іншого боку, швидкість і стабільність органічних компонентів низька через низьку електропровідність.

Але створення ефективної штучної шкіри вимагає від реакції не більше одного мілісекунду, щоб робот міг швидко реагувати. І відповідно до цього показника найкраще підходять високомобільні матеріали, наприклад, монокристалічний кремній.

Тим не менш, використання кремнію повертає нас до проблеми гнучкості. Один підхід дозволяє вирішити його за допомогою термо портативного друку. Для цього нанопровід кремнію наноситься під нагрів до гнучкої пластикової підкладки. Це пружний матеріал, який називається поліамідом. Такий субстрат з нанесеними провідними контурами нанопровід кремнію потім обладнаний тонкопрофільними перетворювачами і датчиками. Ця технологія активно розвивається в Університеті Глазго (примітьте, що це шотландські вчені!).

Ще один перспективний матеріал був недавно розроблений в Інституті технологій Ізраїлю. На підкладці поліетилену застосовуються датчики, які є одношаровими секціями золотих частинок діаметром 5-8 нанометрів. Вони, як пелюстки, в оточенні лігандів, діють як роз'єми-провідники. Ці датчики здатні вимірювати тиск, починаючи від десятків міліграм до десяти грамів.

Тепер основні зусилля спрямовані на досягнення достатньої гнучкості і міцності кришки, але, крім того, питання тактильної «натуральності» гострий. Крім того, штучна шкіра, фактично, є електричним пристроєм, гаджетом. Енергоефективність також вимагає уваги розробників. Звичайно, це не смартфони з низьким терміном акумулятора, але ще думають про перезаряджання шкіри якомога рідше.

В цілому поточний стан справ зі створенням штучної шкіри дозволяє нам сподіватися, що в найближчі роки він досягне рівня комерційного продукту. І хто знає, можливо, 20 років відтепер ви помітите руку, і ви будете здивовані, щоб почути, що він виходить з протеза.

Джерело: habrahabr.ru/company/asus/blog/233347/