Ученые создали растворимую электронную кожу
Инженеры создали гибкую электронную кожу, которая не только восстанавливается при повреждениях, но и полностью растворима в специальной жидкости. При этом из полученного раствора можно сделать новую электронную кожу, рассказывается в статье в Science Advances. По мнению ученых, переработка устройства не только экологична, но и выгодна с экономической точки зрения.
Электронная кожа представляет собой тонкий материал, который может имитировать функции и механические свойства кожи человека. С одной стороны, он может быть использован для отслеживания физиологических показателей организма, а с другой — для расширения возможностей нашего тела. Сегодня многие лаборатории занимаются созданием накожной электроники (о самых впечатляющих разработках вы можете почитать здесь), однако она, как правило, не подлежит полной переработке. В будущем это может привести к увеличению отходов и негативно сказаться на экологии.
Инженеры из Университета Колорадо под руководством Чжанань Цзо (Zhanan Zou) разработали электронную кожу, которую можно как «лечить», так и полностью утилизировать. В основе изобретения лежит материал под названием полиимин (polyimine), изготовленный из смеси терефтальальдегида, диэтилентриамина и трис(2-аминоэтил)амина с этанолом. Он использовался при создании подложки и датчиков, измеряющих давление, температуру, влажность и расход воздуха. Кроме того, в сенсорах также присутствуют вкрапления из наночастиц серебра, которые обеспечивают электропроводность и дополнительную механическую прочность.
При небольшом разрыве датчика на место повреждения нужно нанести полиимин, а затем немного подождать. При комнатной температуре «лечение» займет полчаса, а при нагреве до 80 градусов Цельсия (при давлении 8,5 килопаскалей) — всего 10 минут. После этого химические связи между двумя сторонами восстановятся, и сенсор продолжит работу в обычном режиме. Если «рана» оказалась слишком серьезной, и электронная кожа не подлежит восстановлению, ее можно растворить в специальном растворе. В результате частицы серебра осядут на дно, а полимеры превратятся в олигомеры и мономеры, из которых можно будет изготовить новое устройство.
Электронная кожа достаточно гибкая и ее можно легко носить на руке. Тем не менее, в отличие от настоящей кожи она менее эластичная. Кроме того, сейчас Цзо и его коллеги работают над тем, чтобы в будущем сделать устройство более масштабируемым — тогда его будет легче использовать в робототехнике и медицине. «Скажем, вы бы хотели, чтобы робот мог заботиться о вашем ребенке. В этом случае вы встраиваете электронную кожу в пальцы робота, которые будут ощущать давление тела малыша. Идея состоит в том, чтобы попытаться имитировать биологическую кожу с помощью электронной кожи, которая имеет аналогичные функции», — комментирует Цзо.
В последнее время концепция носимой электроники приобретает все большую популярность. Сегодня ученые уже преуспели в создании эластичных интерфейсов, аккумуляторов и даже дисплеев. Кроме того, исследователи научились печатать носимые устройства на 3D-принтерах, что заметно упрощает процесс их создания.
Кристина Уласович
И реагировать на них движениями
Американские инженеры связали на автоматическом станке свитеры для роботов, которые помогают ощущать прикосновения с помощью вшитых датчиков нажима. Свитеры пригодятся, чтобы управлять движениями роботов на производстве. Работа доступна на arXiv.org. Для работы на производстве с людьми, роботам нужно быть очень осторожными, чтобы случайно не травмировать человека. Есть разные способы сделать роботов безопасными, например прикреплять к ним мягкие подушки. Другая идея — научить роботов быстро определять контакт и отодвигаться от человека. В отличие от людей, у роботов нет кожи, но для них можно сделать другую систему для распознавания ощущений из жестких или эластичных материалов, или даже одежду из текстиля, если встроить в нее датчики прикосновений. Одежду можно быстро изготавливать на ткацком станке в промышленных масштабах, и надевать на роботов разных форм и размеров. Группа инженеров из Университета Карнеги под руководством Джеймса МакКанна (James McCann) и Ян Вэньчжэня (Yuan Wenzhen) создала свитеры для роботов, которые могут надежно определять прикосновения. По словам авторов, обычно у текстильных сенсоров есть проблема: они быстро деформируются и перестают надежно работать. Исследователи попробовали с этим справиться, связав свитеры из трех слоев пряжи. Верхний и нижний слой сделаны из обычного нейлона, на котором чередуются широкие и узкие полосы. Широкие полосы сотканы из полиэстеровой металлизированной пряжи, которая хорошо проводит электричество, а узкие полосы изолятора сделаны из акрила. Средний слой — это сетка из района (искусственного шелка). Чем она тоньше, тем выше чувствительность свитера к легким прикосновениям, и наоборот — плотный средний слой подходит для сильных нажатий. Слои ткани с помощью пуговиц с проводами соединяются с устройством для считывания сопротивления, и вместе с ним превращаются в электронную схему. Когда кто-то дотрагивается до свитера, верхний и нижний слои ткани соприкасаются через отверстия в районовой сетке, и сопротивление в системе уменьшается. По сопротивлению можно определить силу нажатия. Инженеры протестировали, насколько надежно устройство определяет силу и место контакта со свитером. Первая серия экспериментов проверяла, как эффективность сенсоров меняется со временем. Эксперименты включали 42 секунды контакта с сенсорами по 20-30 раз на протяжении 4 дней. Авторы не приводят точные цифры результатов, но утверждают что сенсоры показывали стабильные результаты по определению места контакта все 4 дня, с небольшими погрешностями в конце эксперимента. Также исследователи протестировали точность сенсоров на плоской и изогнутой поверхности. На плоской поверхности по сопротивлению датчиков можно было точно определить силу нажатия. На изогнутой поверхности корреляция между сопротивлением и силой нажатия сохранилась, но выросло ее стандартное отклонение. Таким образом, сложность поверхности негативно повлияла на точность определения нажатия. Наконец, инженеры проверили эффективность чувствительных свитеров на роботах. Они надели свитер на робота Kuri, который должен был повернуть голову в ответ на прикосновение. В будущем технологию RobotSweater можно использовать, чтобы обучать роботов: например, похлопать по плечу в качестве похвалы. Пока инженеры показали, как свитеры могут пригодиться на производстве: например, промышленный робот в свитере останавливается и меняет направление движения в ответ на прикосновения. https://www.youtube.com/watch?v=YGUV1dHuCRc Прикосновения может определять не только одежда для роботов, но и искусственная кожа, которую разработала группа ученых из Стэнфордского университета. Пока кожу испытали на крысах, но авторы планируют в будущем встроить ее в человеческие протезы, чтобы улучшить их чувствительность.