Исследователи из Японии разработали новый сенсор напряжения, в котором используется сеть углеродных нанотрубок, которые возвращаются в исходное состояние после снятия нагрузки.

Сенсор, способный следить за движением человеческого тела, должен отвечать ряду требований – он должен точно и без перерыва сообщать о движении, точно соответствовать изгибам тела, а также выдерживать постоянное и неоднократное растяжение. Материал, соответствующий всем перечисленным выше условиям, на так просто получить, однако исследователи из Японии полагают, что новый сенсор из нанотрубок вполне сможет справиться со всеми непростыми задачами.

Сенсор может измерять напряжение за счет изменений в электрическом сопротивлении – сопротивление возрастает при растяжении сенсора. В отличие от сходных по конструкции систем, разработанный в группе Кенджи Хата (Kenji Hata) сенсор может выдерживать значительные нагрузки, измеряя напряжение неоднократно.

Рис. 1. При натяжении сенсора сеть нанотрубок
натягивается наподобие сетки-рабицы. (Рисунок из
Nat. Nanotechnol., 2011, doi: 10.1038/NNANO.2011.36).

Результаты испытаний нового сенсора показали, что сенсор может быть растянут на 280% от своего обычного размера, выдерживать 10000 повторных растяжений до длины, в 2,5 раза превышающей длину сенсора, а также сообщать о растяжении с задержкой всего лишь в 14 миллисекунд – такая экспрессность является рекордом для материала, способного измерять столь значительное напряжение.

Исследователи из группы Хата выращивали тонкие пленки одностенных углеродных нанотрубок, после чего размещали ее на поверхности силиконовой резины таким образом, небольшое количество изопропанола позволяло добиваться прочной адгезии нанотрубок и подложки.

Натяжение полимера, на котором закреплена плотная сетка углеродных нанотрубок, способствует появлению трещин между однородно расположенными нанотрубками, что превращает сеть нанотрубок в набор «островков», связанных между собой волокнистыми «мостиками». Эти мостики, представляющие «игольные ушка» для электронов, являются участками, которые обуславливают увеличение электрического сопротивления сенсора.

При снятии напряжения отдельно расположенные островки из нанотрубок снова объединяются в единую систему, при очередном растяжении сенсора конфигурация, состоящая из «островков» и «мостиков» восстанавливаются. Хата утверждает, что повторные разрывы в структуре материала не происходят в новых местах, что является ключом для долговечности сенсора.

Еще одним способом проверки свойств сенсоров являлось его размещение на повязках, носках и перчатках – такой подход позволил изучить, насколько хорошо новый сенсор может детектировать движения человеческого тела. По словам Хата, сенсор может детектировать движения человека, а его долговечности хватает на регистрацию миллионов движений.

Исследователи полагают, что использование нового сенсора в качестве датчика дыхания позволит понизить смертность от синдрома внезапной смерти младенцев [sudden infant death syndrome (SIDS)], исследователи также разработали перчатку, которая позволяет отслеживать движение каждого пальца – исследователи полагают, что такая перчатка-датчик может оказаться полезной для программирования манипуляторов человекообразных роботов.