28 апр 2023 4 428

Ионная кожа может дать роботам тактильные ощущения и возможности распознавания текстуры

Кончиками пальцев люди могут прикасаться к вещам в окружающей среде и ощущать тактильные свойства объектов. Кончики пальцев являются невероятно чувствительными частями нашей кожи, на них нанесены уникальные узоры отпечатков пальцев. Робототехники давно пытались создать все более совершенные искусственные кончики пальцев. Хотя за последние несколько лет было предложено много материалов, похожих на кожу, большинство из них не воспроизводят эффективно тактильные способности людей.

Исследователи из Университета Дунхуа в Китае недавно представили новую ионную кожу, которую можно использовать для имитации функции кончиков пальцев роботов. Это покрытие может позволить роботам ощущать тактильные свойства объектов и распознавать различные текстуры или материалы.

Изначально эта работа была вдохновлена кончиками пальцев и отпечатками пальцев, которые мы используем, чтобы осязать и воспринимать мир каждый день. Хотя в последние годы сообщалось о многочисленных «твердых» биомиметических кончиках пальцев, остаются две ключевые проблемы при разработке искусственной «мягкой» ионной кожи с тактильными возможностями, подобными кончикам пальцев

— доктор Шэнтонг Сан.

В рамках недавнего исследования доктор Сан и его коллеги решили преодолеть эти две проблемы, с которыми обычно сталкиваются при разработке мягких оболочек, состоящих из ионов, также известных как ионные оболочки. Для этого они сначала задумались о том, как формировать и характеризовать отпечатки пальцев на мягком материале, в конечном итоге имитируя как структуру, так и функцию кончиков пальцев человека.

Мы заметили, что кончики пальцев имеют модульно-контрастную структуру отпечатков пальцев с периодическими гребнями и впадинами. Считается, что такой эндогенный периодический паттерн создается неравновесным процессом реакции-диффузии из-за биохимического эффекта Тьюринга

— Шэнтонг Сан.

Когда кончики пальцев ощущают тактильные свойства объектов, к которым они прикасаются, предполагается, что жесткие гребни внутри них действуют как механические микрорычаги, которые могут быстро передавать тактильные вибрационные сигналы рецепторам в дерме (т. е. толстому слою ткани под наружным слоем кожи). Эти гребни лишь слегка деформируются при контакте с поверхностями или предметами, что позволяет сохранять с ними почти постоянный контакт. В результате чувствительность кончиков пальцев к давлению почти не подвержена деформационным искажениям.

Доктор Сан и его коллеги использовали стратегию формирования рисунка Лизеганга, которая влечет за собой реакцию осаждения для создания узоров в гидрогелевых материалах. Используя эту технику, они создали жесткие гребни, встроенные в эластичный гидрогель, напоминающие те, что наблюдаются на кончиках пальцев человека.

Структура Лизеганга обычно возникает, когда реакция осаждения сочетается с массовым переносом реагентов в пористой гелевой среде, что приводит к периодическим полосам преципитатов. Покрывая его слоем фторэластомера, ионная кожа с рисунком Лизеганга может действовать как высокочувствительный трибоэлектрический тактильный датчик. Благодаря контрасту модуля мягких впадин и жестких гребней, трибоэлектрический тактильный датчик может также чувствительно обнаруживать стимулы динамического давления, распознает тонкие текстуры и показывает почти неизменную чувствительность к давлению даже при растяжении до максимального напряжения разрушения (~ 50%) человеческой кожи

— Шэнтонг Сан.

В серии предварительных испытаний искусственный тактильный датчик, похожий на кожу, показал очень многообещающие результаты, воспринимая тактильную информацию, даже когда он был растянут.

В будущем искусственный тактильный датчик на основе гидрогеля может быть использован для создания мягкой кожи роботов или искусственных пальцев, которые могут получать сигналы динамического и статического давления в режиме реального времени, пока робот захватывает объекты.