×

Искусственная электронная кожа (e-skin). Гибкая микроэлектронная 3D-сенсорика воспринимает движение тонких волосков на искусственной коже: чем больше они наклоняются, изменяя свой магнитный вектор, тем больше меняется поле датчиков матрицы. Источник.

Более 50-ти лет назад Роберт Сильверберг в своём романе «Через миллиард лет», устами главного героя, археолога Райса, поднимает вопрос о профпригодности одного из членов экспедиции – робота-андроида, специалиста по вакуумным раскопкам, Келли Вотчмен. «Всем известно, – рассуждает персонаж, – что нервная система андроидов, великолепная в быту, в критические минуты уступает человеческой. Ну, нет у андроидов шестого чувства, не может он кончиками пальцев ощутить, что если срежет ещё миллиметр почвы, то покалечит уникальную находку».

Наверное, именно это больше всего отличает нас как живых существ от управляемых механизмов (и, конечно, роботов) и одновременно затрудняет работу, производимую с их помощью. Конечно, это непростая задача – научить мёртвую материю осязать своё окружение, – но исследователи всё ближе подбираются к воплощению фантастических идей. Так, мы уже писали однажды о достижениях в плавности и точности движений механических рук, деликатность которых позволяет и яйцо поднять, и тарелки сложить.

Что ж, дело движется, и вот, пусть до межгалактической археологии пока далеко, но «кончиками пальцев ощутить» машины могут уже сегодня. А всё благодаря большому шагу вперёд, сделанному в разработке электронной кожи. Группа учёных из Хемница и Дрездена создала для неё искусственные волоски, на манер тех, что растут на нашем теле.

Устройство, называемое сокращением Е-skin (электронная кожа), представляет собой гибкую электронную систему, которая пытаются имитировать чувствительность своих биологических аналогов (например, кожи человека). Области применения, как можно представить, весьма широки: от замены кожного покрова и расположения медицинских датчиков на теле до оснащения специальным чувствительным покрытием различных устройств. Это могут быть те же роботы-андроиды или, скажем, защитные костюмы. Наверное, каждый однажды хотел себе заиметь хотя бы перчатки с такими свойствами.

Проведите пальцем вдоль предплечья, не касаясь его. Чувствуете? Крошечные поверхностные волоски, о которых идёт речь, позволяют не только воспринимать, но и предвосхищать малейшие тактильные ощущения, что на самом деле куда важнее. Мы благодаря им распознаём даже направление прикосновения. Электронные же системы, имитирующие кожу, до сих пор были лишены этой возможности.

Дело в том, что в них использовалась лишь двумерная проекция. То есть тонкое сенсорное устройство могло распознать факт прикосновения, но и только. Но недавно в e-skins были введены магнитные возможности, позволяющее дистанционно воспринимать движущиеся объекты. Похожими магнитными датчиками мы широко пользуемся в повседневной жизни, однако плотность интеграции этих устройств на площади электронной кожи была довольно ограничена. Добавьте к этому возникающие трудности с исследованием векторных свойств магнитного поля, поскольку – как следствие той же двумерности – восприниматься его компоненты могут лишь в одном или двух измерениях.

Как раз это препятствие и удалось обойти той самой имитацией волосков на коже. 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, изучила новый метод решения, основанный на создании датчиков магнитного поля настолько чувствительных в трёхмерном плане, что они позволяют распознать направление испытываемого воздействия; и, к тому же, настолько малоразмерных, что их можно интегрировать в активную матрицу высокой плотности системы e-skin

Новый подход к миниатюризации и внедрению массивов таких устройств приблизил команду к имитации естественной реакции человеческой кожи на прикосновения – причём весьма близкой к тому, как это происходит в реальности.

Объясняя основное достижение, Кристиан Беккер, аспирант исследовательской группы профессора Шмидта в MAIN и первый автор исследования, говорит: «Наш подход позволяет осуществить точное пространственное расположение функциональных сенсорных элементов в 3D, которые могут изготавливаться серийно в параллельном производственном процессе. Такие сенсорные системы чрезвычайно трудно генерировать с помощью общепринятых методов изготовления микроэлектроники».

Микроэлектронное оригами.

Ядром сенсорной системы, представленной исследовательской группой, являются датчики так называемого анизотропного магнитосопротивления (AMR). Ими можно точно определять изменения магнитных полей, отчего и встречаются они, например, в качестве датчиков скорости в автомобилях или для определения положения и угла движущихся компонентов в различных машинах.

Но вот чтобы уложить все их преимущества в сверхкомпактную сенсорную систему, учёные применили процесс так называемого микрооригами. Благодаря такому решению компоненты датчика AMR складываются в трёхмерные формы, которые уже из-за этого могут воспринимать магнитное векторное поле в трёх измерениях. Подход микрооригами позволяет разместить большое количество микроэлектронных компонентов в небольшом пространстве и расположить их в геометрической форме, недостижимой с помощью одних лишь традиционных технологий.

«Процессы микрооригами были разработаны более 20 лет назад, и замечательно видеть, как весь потенциал этой элегантной технологии теперь можно использовать для новых приложений микроэлектроники», – говорит профессор Оливер Г. Шмидт.

Исследовательская группа внедрила массив магнитных датчиков 3D-микрооригами в единую активную матрицу, где каждый из них может быть индивидуально направлен и считан с помощью микроэлектронной схемы. «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, внёсший решающий вклад в разработку концепции, дизайна и реализацию проекта.

Многонаправленность.

Подобно органической коже, содержащей переплетения нервных волокон, e-skin из эластомерного материала начинена электроникой и новыми 3D-датчиками магнитного поля. Они-то и призваны обеспечить это подобие биологическому оригиналу благодаря своим тонким волоскам с магнитными корнями.

Таким образом, когда что-то касается ворсинок или они изгибаются, движение и точное положение магнитного корня каждой из них считывается трёхмерными магнитными датчиками, лежащими в основе. Отсюда возникает потрясающая способность сенсорной матрицы не только регистрировать движение волосков, но и определять точное направление движения. Как и в случае с настоящей человеческой кожей, каждый волосок на электронном эквиваленте становится полноценным сенсорным блоком, способным воспринимать и обнаруживать изменения поблизости. 

Фактически, несмотря на то, что идея такой чувствительной материи витает в умах человечества уже давно, сама её реализация обеспечивает новый для имеющихся технологий тип сенсорного восприятия окружающей обстановки различными устройствами. Конечно, исходя из многообразия возможных задач, покрытия тех или иных устройств требуют специализированных доработок и модификаций разработки, но первая ласточка в виде магнито-механической системы электронной кожи, в целом уже сейчас способна найти применение во множестве направлений. Тем более если учесть, что она отлично справляется со своими функциями даже в режиме реального времени.

Таким образом, описанная интеграция 3D-магнитных датчиков в электронную кожу со встроенными магнитными волосками, обеспечивая многонаправленное тактильное восприятие в реальном времени, демонстрирует универсальный подход к широкому кругу применений при изготовлении массивов трёхмерных датчиков, интегрированных в активную матрицу. А использование метода микрооригами, открывает путь к новым устройствам, основанным на автономной перестановке функциональных элементов в пространстве.

Помимо чувствительных скафандров, перчаток, зажимов и прочего инвентаря, эта способность – почувствовать изменение среды, близость препятствия и силу внешнего давления – имеет первостепенное значение для нас во время работы в окружении механизмов. В частности – в непосредственной близости или контакте с теми же роботами. Множество травмоопасных ситуаций можно будет предупредить либо избежать благодаря таким покрытиям, как e-skin. Если робот (скажем, при работе на конвейере) сумеет распознать грядущее взаимодействие с человеком-компаньоном, а тем более – в деталях, то, непосредственно перед предполагаемым контактом или столкновением, его запрограммированные системы позволят нивелировать угрозу здоровью человека.

То есть, по сути, новые объёмные сенсоры выводят наше взаимодействие с машинами на новый уровень. Как говорится, мир уже не будет прежним.

 


АРМК, по материалам Хемницкого технического университета.