Концепция биомиметической мягкой кожи пригодится в области взаимодействия человека и машины, интеллектуального протезирования и мягкой робототехники. Ученые из Института технологии материалов и инженерии Нинбо (NIMTE) Китайской академии наук (CAS) разработала биомиметическую мягкую кожу с усилением восприятия напряжения (SPS). Она реализует динамическое преобразование от тактильного восприятия к восприятию боли.

Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.

Существа с биологическими мягкими тканями (например, кожей) защищаются за счет пассивного напряжения, механического затвердевания и активного восприятия внешних раздражителей. До деформационно-механического усиления активная защита может заранее распознать опасность и, таким образом, значительно снизить риск получения травмы. Тем не менее, по-прежнему сложно добиться эффективной активной защиты, для чего требуется интенсивное и быстрое предупреждение о боли, запускаемое сенсорной системой.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из NIMTE подготовили новую биомиметическую кожу, то есть эластичную и проводящую пленку (ECF), которая состоит из тонкой эластомерной пленки и собранных графеновых нанолистов с взаимосвязанным структурным интерфейсом. SPS-эффект придает мягкой коже функцию динамического перехода от тактильного к болевому восприятию.

Двухмерная (2D) ECF-пленка на основе графена демонстрирует положительную корреляцию между калибровочным фактором и напряжением, что аналогично сенсорным системам существ. Кроме того, синтезированная биомиметическая кожа позволяет добиться нормального тактильного восприятия при низком напряжении и болевого восприятия выше порога напряжения.

Искусственная кожа с поддержкой SPS для восприятия боли. / (Изображение НИМТЕ)

Кроме того, значение порога восприятия напряжения можно регулировать от ~7,2% до ~95,3%, что демонстрирует большой потенциал в разработке различных приложений, связанных с SPS. Так, сенсорная система с поддержкой SPS может эффективно имитировать ощущение боли в тканях человека. Например, при однонаправленном перенапряжении мышечного сухожилия и неравномерной деформации растяжения кожи рук.

Вдохновленные иглобрюхом ученые из NIMTE разработали бионическую модель иглобрюха на основе ECF в качестве самоподдерживающейся искусственной кожи. Она пригодится для чувствительного обнаружения бесконтактных и контактных механических раздражителей и дальнейшего активного надувания до трехмерной деформации. Завышенная трехмерная деформация может быть эффективно зафиксирована благодаря типичному эффекту SPS.

Концепция биомиметической мягкой кожи на основе SPS-эффекта пригодится в области взаимодействия человека и машины, интеллектуального протезирования и мягкой робототехники.