Двойные сенсоры: исследователи создали искусственный аналог кожи

В течение последних десятилетий инженеры разрабатывали всё более совершенные биоинформационные системы. Но их сенсорные возможности, как правило, гораздо менее развиты, чем свойственные людям и животным.


Исследователи из Пекинского института наноэнергетики и наносистем и Университета Цинхуа недавно разработали новую мультирецепторную кожу. Они равнялись на сенсорные способности утконоса. Это очень необычное млекопитающее сочетает в себе физические особенности уток, бобров и выдр.

Ведущий автор научной статьи о разработке Ди Вэй рассказал, что его девятилетняя дочь Ориана впечатлилась способностями утконосов, посмотрев документальный фильм. Она спросила, знает ли он, что утконос — это яйцекладущее млекопитающее, которое не полагается на свои глаза при охоте? Вопрос побудил учёного больше узнать об органах чувств утконоса, в итоге вдохновив на исследование.

Утконос обладает уникальной двойной сенсорной системой, которая отличает его от других водных и яйцекладущих животных. Особая чувствительность позволяет ему обнаруживать и электрические, и механические изменения в окружающей среде. Такое двойное восприятие повышает его способности обнаруживать добычу или потенциальные угрозы, не полагаясь на зрение. А всё потому, что клюв его покрыт особенно чувствительными нервными окончаниями.

Учёные стремились воспроизвести способности утконоса, создав искусственную кожу. Главная цель — в расширении диапазона восприятия, чтобы роботы могли обнаруживать объекты и взаимодействовать с окружающей средой не только за счёт физического контакта.

Дизайн «кожи» в стиле утконоса, разработанный специалистами, основан на двух ключевых принципах: контактной электризации и электростатической индукции.
Когда творение учёных касается другого материала, искусственная кожа воспринимает тактильные раздражители.

Для сбора сенсорной информации бесконтактным способом, на расстоянии, искусственная кожа полагается на электростатическую индукцию. По сути, структурированное легирование наночастиц в эластомере, то есть добавление частиц с заданными свойствами, позволяет системе обнаруживать изменения в электрических полях, когда в пределах её восприятия появляются заряженные объекты.

С точки зрения состава, мультирецепторная кожа — это конструкция с одним электродом, объяснил Вэй. Она состоит из тонкой плёнки эластомера (вещества со свойствами резины), в который встроены неорганические наночастицы для повышения диэлектрических свойств, а также слой серебряной нанопроволоки, выполняющий роль электрода. Подложка на основе эластомера обеспечивает гибкость и защиту.

Основное преимущество сенсорной системы, разработанной Вэем и его коллегами, — это её двойная конструкция, которая имитирует способность утконосов ощущать и электрические, и механические различия. Уникальное устройство позволяет искусственной коже точно распознавать объекты и собирать тактильную информацию с высокой чувствительностью, причём не только прикасаясь к ним, но и на расстоянии.

В сочетании с методами глубокого компьютерного обучения «кожа», созданная по примеру утконоса, позволила быстро идентифицировать материалы с точностью 99,56%, а также обнаруживать удалённые объекты.

По сравнению с обычными сенсорными системами, которым часто трудно регулировать заряд и обнаруживать объекты в различных условиях, мультирецепторная оболочка лучше контролирует свой заряд, сохраняя при этом стабильность в меняющихся условиях.

Вэй заявил, что им с коллегами удалось полностью воспроизвести механизм электрорецепции утконоса, то есть чувствительности этого животного к электрическим показателям среды. В частности, они обнаружили, что структурированное легирование наночастиц в эластомере соответствует высокоупорядоченному расположению электрорецепторов на клюве утконоса. Столь уникальное устройство значительно повышает чувствительность, позволяя точно улавливать электрический заряд.

Новинка, созданная исслелователями, внесет значительный вклад в разработку новых технологий, позволяющих распознавать объекты на расстоянии. Их ещё называют системами телеощущения. Они могут быть полезны во многих сферах, от мониторинга окружающей среды в экстремальных климатических условиях до взаимодействия человека и машины или, например, для автономной навигации робота в пространстве.


— Вэй.

Достижение ученых способно проложить путь к разработке других систем с датчиками, основанных на двойном восприятии. Тем временем исследователи работают над дальнейшим совершенствованием своей системы, повышая её универсальность и готовя к внедрению.