Электронная кожа: «Наша e-skin способна распознавать структуру и “ощущать” звуки»

Профессор Хон Сан Ли об искусственной коже, которая может «чувствовать», как человеческая

24.11.2015
9 313
Кандр из фильма "Ex Machina" компании "Universal Pictures", 2015 год (flickr // Craig Duffy)

Электронная кожа (e-skin) — одно из направлений разработок в рамках создания искусственной кожи. Она чувствительна к прикосновениям, текстуре и даже звуку. Мы поговорили с одним из исследователей, работающим в этой области, чтобы понять, как e-skin повлияет на медицину и робототехнику.

— Вы проводите исследования в лаборатории полимеров и наноматериалов. Над чем сегодня работает ваша лаборатория?

— Да, наш главный интерес — это полимерные наноматериалы. Мы разрабатываем нанокомпозиты для различных целей, для производства, в частности, таких материалов, как прозрачные проводящие пленки, прозрачные газонепроницаемые пленки, ферроэлектрические (сегнетоэлектрические) пленки и конструкционные (технические) пластмассы. Например, наши композиты потенциально могут быть материалами для деталей органических светодиодных дисплеев и мобильных телефонов. Мы проводим теоретические и практические исследования по приспособлению кристаллической структуры нанокомпозитов, мезоскопической динамики полимерных растворов или полимерных сплавов, динамического рассеивания света, статистической термодинамики для гибридных материалов, характеризации углеродных нанотрубок и оксида графена.

— Могли бы вы поподробнее рассказать о ваших исследованиях по разработке искусственной кожи? Как удалось сделать ее чувствительной к давлению и температуре? Каковы ее возможности и каким образом она работает?

Новые материалы и тканевая инженерияПрофессор MIT Роберт Лэнгер о способах формирования новых тканей, полимерных каркасах и использовании компьютерных технологий в биологии

— Наша искусственная кожа сделана из сегнетоэлектрического материала, который генерирует электричество в ответ на внешние стимулы, такие как изменение температуры или давления. Мы разработали ферроэлектрические нанокомпозиты из поливинилиденфторида (ПВДФ/PVDF) и восстановленного оксида графена, который поддерживает свои сегнетоэлектрические свойства даже после обработки (отливки из раствора или формирования из сплава) без необходимости последующего «дразнения». Плоская пленка, сделанная из такого композита, может «чувствовать» температуру и давление благодаря сегнетоэлектричеству. Сегнетоэлектричество также поддерживается, когда композит спрессовывается в пленку с микротиснением. Чувствительность к давлению значительно улучшается, когда электронная кожа не гладкая, а ребристая, сравнивая с чем-то вроде отпечатков пальцев, и состоит из двух слоев такой пленки. Благодаря этому возникает многофункциональность, подобная той, что в человеческой коже, то есть чувствительность одновременно к динамическому и статическому давлению, равно как и к температуре. Электронная кожа чувствительна настолько, что она может «почувствовать» один волосок, расположенный на ней, и в дополнение к этому она также «чувствует» звуки.

— Как генерируется ферроэлектричество?

— Мы встроили кристаллическую структуру ПВДФ, образуя полярные фазы в нанокомпозитах на основе поливинилиденфторида и восстановленного оксида графена. В сегнетоэлектрическом нанокомпозите в полярных фазах может накапливаться электрический заряд в ответ на внешнее (механическое) воздействие. Генерируемое напряжение задается отношением образуемого заряда к электроемкости. Мы сымитировали отпечаток пальца и связали вместе эпидермическую и дермальную структуру человеческой кожи. Внутренний кожный слой включает в себя механические рецепторы, которые регистрируют непрерывное давление, и другие, чувствующие изменения в давлении и вибрации. Чувствительность к прилагаемому давлению сегнетоэлектрической пленки может быть улучшена, когда электронная кожа образует складки наподобие отпечатка пальца и сложена в два слоя, создавая микротиснение сегнетоэлектрической пленки. Это приписывается тому факту, что локальное давление больше в точке соприкосновения внешнего и нижнего слоев микротиснения.

Кроме этого, складки поверхности электронной кожи делают ее чувствительной к текстуре и звуку. Сопротивление электронной кожи меняется под статическим воздействием давления за счет изменения площади соприкосновения между внешним и внутренним слоями микротиснения. Сегнетоэлектрическая электронная кожа реагирует на температурные изменения, применяя тот же принцип, когда электрический заряд может накапливаться в полярных фазах и в ответ на температурные изменения. Сопротивляемость нашей композитной пленки уменьшается из-за изменения температуры, что может приписываться изменению контактного сопротивления между листами восстановленного оксида графена (rGO) за счет термомеханических перемен в композитах.

Таким образом, получается, что наша электронная кожа может быть многофункциональной, как кончик человеческого пальца, чувствуя динамическое и статическое давление, текстуру и температуру одновременно.

— Каких успехов добились исследователи в этой области?

— В последние несколько лет многие исследовательские группы разработали гибкие электронные кожи с тактильной чувствительностью, примерно аналогичной человеческой. Пока не была создана наша электронная кожа, функции e-skins были ограничены распознаванием одной или двух характеристик из следующих: статического давления, динамического давления и температуры. Наша разработка «чувствует» все три, как и человеческая кожа, и даже способна распознавать структуру и «ощущать» звуки.

— Каким образом электронная кожа может «чувствовать» звуки?

— Звук — не более чем колебания давления. Электронная кожа очень чувствительна к таким колебаниям, так что она может «ощущать» закономерности в изменении интенсивности и частоты звуковых волн, генерируя электричество. Чувствительность e-skin намного выше, чем у обычного микрофона.

— Почему в предыдущих работах не получалось создать кожу чувствительной к температуре и давлению одновременно?

— Наши нанокомпозиты имеют пониженное электрическое сопротивление за счет распределения восстановленного оксида графена в ПВДФ, поддерживая сегнетоэлектрические свойства. Из этого следует, что эти композиты могут использоваться и как пьезорезистивные (пьезополупроводниковые) сенсоры, и как сегнетоэлектрические сенсоры. Наш нанокомпозит термопластичен, а значит, может повторять любые формы, как, например, микромодельные структуры, используя метод отливки пленок из раствора и формования из расплава. Помимо этого, он сохраняет свои пьезорезистивные и сегнетоэлектрические свойства. Таким образом, мы можем производить сцепленные микроструктуры на сегнетоэлектрической пленке, что может усиливать пьезоэлектрическую, пироэлектрическую и пьезорезистивную чувствительность к статическим и динамическим термомеханическим сигналам. Другие исследователи, используя либо полевой транзистор, либо пассивную графеновую пену, либо поляризованный керамический полимер, также создали различные образцы электронной кожи, которая может чувствовать температуру и давление. Однако эти материалы не могут быть легко превращены в пленку с микротиснением, одновременно сохраняя сегнетоэлектрические свойства.

— В этой области вы также занимались и материалами для дисплеев.

— Долговечность OLED-дисплеев серьезно ограничена присутствием кислорода и водяного пара. Таким образом, прозрачные пленочные газовые барьеры — одна из важнейших технологий для выпускаемых дисплеев. Полимерный композит с содержанием графена может являться хорошим кандидатом на эту должность, так как графен сам по себе непроницаем для всех газов. В тачскринах (сенсорных панелях) в настоящее время по большей части используется прозрачная электропроводящая пленка. Для этой же цели также подойдут углеродные нанотрубки и графеновый композит, упомянутый ранее.

— Каковы перспективы этой области?

— Электронная кожа найдет свое применение в антропоморфной робототехнике, протезировании, создании мобильных устройств мониторинга состояния здоровья человека, а также в интернете вещей. Для робототехники мы создадим электронную кожу, которая будет более устойчивой к большим перепадам давления, в то же время сохраняя ее высокую чувствительность. А для протезирования нам понадобится метод передачи сигналов в мозг.

Professor Department of Chemical Engineering, Dong-A University
Узнал сам? Поделись с друзьями!
    Опубликовано материалов
    03586
    Готовятся к публикации
    +28
    Самое читаемое за неделю
  • 1
    ПостНаука
    12 298
  • 2
    ПостНаука
    3 691
  • 3
    Михаил Соколов
    2 459
  • 4
    Андрей Цатурян
    2 307
  • 5
    Татьяна Тимофеева
    2 274
  • 6
    Роман Бевзенко
    1 393
  • 7
    Сергей Афонцев
    1 332
  • Новое

  • 3 691
  • 608
  • 2 274
  • 1 332
  • 1 393
  • 2 459
  • 12 298
  • 2 307