Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Из микропирамидок сделали чувствительные и прочные датчики давления

Ma et al. / ASC Nano, 2020

Инженеры сделали датчики давления в виде набора пирамидок из углеродных нанотрубок: они работают в широком диапазоне давлений — от нескольких граммов до нескольких килограммов. Внутри интервала нагрузок измерения проводились с точностью до десятых долей грамма, кроме того, устройство показало высокую механическую надежность. Статья опубликована в ASC Nano.

За восприятие человеком твердых предметов отвечают несколько систем, в том числе — медленно адаптирующиеся механорецепторы первого типа. В первую очередь они нужны для восприятия статических и небольших давлений. При разработке протезов или человекоподобных роботов важно воспроизвести функции этих рецепторов при помощи электронных устройств, особенно для того, чтобы дать возможность манипулятору уверенно держать предмет.

В последние годы инженеры предложили множество вариантов конструкции искусственных сенсоров, от надувных подушечек Toyota до переплетенных сеточек металла и пластика, которые производятся при помощи объемной микролитографии. В целом, у рецепторов есть множество характеристик, среди которых скорость реакции, пространственное разрешение, чувствительность в разных диапазонах сил, энергопотребление и другие. Кроме того, при превышении допустимой нагрузки датчик просто может сломаться. Для каждой задачи инженеры стремятся подобрать оптимальный баланс свойств.

Группа ученых под руководством Чао Ма (Chao Ma) из Калифорнийского университета сконструировала датчик давления в виде набора проводящих микропирамидок, который сохраняет высокую чувствительность и скорость работы в большом диапазоне нагрузок. Пленку с десятимикронными пирамидками из смеси силиконовой смолы с углеродными нанотрубками наклеили на резиновую основу со встроенными электродами. 

Чем больше деформируются пирамидки от нажатия, тем сильнее возрастает их электрическое сопротивление. Электроды резиновой основы фиксируют это и передают данные в компьютер, который на основе карты сопротивлений реконструирует породившее его давление. Измерение сопротивления — один из основных принципов работы датчиков давления, но именно использование гомогенных пирамидок, по словам инженеров, позволило добиться выдающихся результатов.

В итоге датчик работает в диапазоне давлений от нескольких грамм-сил на квадратный сантиметр до килограмма, с минимальным шагом измерения в десятые доли грамма и временем реакции в 50 миллисекунд. В эксперименте ученый нажимал на сенсор с разной силой, и яркость сигнальной лампочки плавно менялась с незримым глазу интервалом. 

Помимо этого, устройство оказалось прочным и надежным, поскольку сохранило работоспособность после временного увеличения давления до 10 килограмм-сил на квадратный сантиметр — с таким будет давить атлет-тяжеловес, если встанет на носок одной ноги. Пространственное разрешение образца — один квадратный сантиметр, но в будущем его можно будет сильно увеличить за счет добавления дополнительных электродов.

Микродатчики — одно из наиболее перспективных направлений современной электроники. Они бывают даже растворимыми, а некоторые пробуют встраивать их в свитер.

Василий Зайцев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.