Ученые из Китая создали прототип искусственной «кожи с волосами» — высокочувствительного сенсора, позволяющего ощущать широкий диапазон воздействий и обладающего повышенной механической стойкостью. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Materials & Interfaces.

Сенсорные характеристики человеческой кожи на языке приборов можно сформулировать следующим образом: высокая чувствительность, широкий диапазон обнаружения силы, долговечность, стойкость к истиранию и способность определять жесткость воздействующего материала. За большинство этих характеристик ответственны волоски на коже.

Сенсоров, объединяющих все «необходимые» характеристики до сих пор не создали, а конкурирующие прототипы либо недостаточно чувствительны, либо обладают узким диапазоном «восприятия», либо представляют собой сложные и дорогие нанокомпонентые устройства. К тому же, существующие прототипы представляют собой либо искусственную кожу, либо волоскоподобные датчики.

Изображение провода на основе кобальта в сканирующем микроскопе. Jian Zhang et al, Applied Materials & Interfaces, 2016

Китайские исследователи предложили объединить «кожу» и «волосы» в простую конструкцию. Два массива ферромагнитных микропроводов скрещивали, монтировали в силиконовую «кожу». Сенсорный эффект таких «волосков» основан на эффекте Баркгаузена и электромагнитной индукции. Массивы микропроводов представляют собой катушки индуктивности. В левую подается переменный ток, который благодаря взаимной индукции наводит переменное магнитное поле во второй ловушке. Эффект Баркгаузена проявляется в генерации напряжения второй «катушкой» при механическом воздействии на нее, а значение и вид зависимости генерируемого напряжения от приложенных усилий позволяет судить о том, что это было за воздействие.

Покрытых стеклом микропровода на основе кобальта, используемые в работе, обладают не только магнитными сенсорными свойствами, но и хорошими механическими. По словам ученых, эти свойства напоминают человеческий волос — они тонкие, способны «различать» механические воздействия, а также достаточно «упругие» — не завязываются в узлы и не обламываются при давлении.

(а) Концепция “волос на коже”, основанная на аналогии свойств кобальтовых проводов и волос на коже человека, (b) конструкция сенсора – два кластера “волос” объединяются и “вставляются” в силиконовую “кожу”, вся конструкция устанавливается на электронную печатную плату. Jian Zhang et al, Applied Materials & Interfaces, 2016

Тестирование возможностей прототипа показало, что датчик обладает высокой чувствительностью и широким диапазоном обнаружения силы воздействия. Сенсор может почувствовать от одной десятитысячной ньютона до 25 ньютон, то есть такая искусственная кожа различит севшую на поверхность муху и груз в два килограмма. Робоподобная рука по результатам тестов смогла с помощью прототипа «ощутить» скольжение предмета и трение.

Способ производства предложенного сенсора и его простая структура позволяет создать масштабируемое производство, а его дизайн обеспечивает конкурентную чувствительность и диапазон восприятия в сравнении с существующими аналогами. Высокая механическая устойчивость делает такой сенсор применимым в усовершенствовании рук роботов и искусственных протезов.

Также сенсоры можно применять в медицинском оборудовании. Например, недавно исследователи предложили оснастить ультрачувствительным оптическим элементом хирургические инструменты, чтобы операции могли делать даже роботы-хирурги.

Автор: Екатерина Жданова