Разработка электронной кожи с множеством органов чувств необходима для различных областей, включая реабилитацию, здравоохранение, протезы конечностей и робототехнику. Одним из ключевых компонентов этой технологии являются растягиваемые датчики давления, которые могут обнаруживать различные типы прикосновения и давления. Недавно совместная группа исследователей из POSTECH и Ульсанского университета в Корее недавно совершила значительный прорыв, успешно создав всенаправленно растягиваемые датчики давления, вдохновленные кожей крокодила.
Группу исследователей возглавляли профессор Килвон Чо, доктор Гивон Ли и доктор Джонхён Сон с факультета химического машиностроения POSTECH, а также группа под руководством профессора Сын Гу Ли с факультета химии Университета Ульсан. Они черпали вдохновение в уникальном органе чувств из крокодиловой кожи и разработали датчики давления с микрокуполами и морщинистой поверхностью. Результатом стал всенаправленно растягиваемый датчик давления.
Крокодилы, грозные хищники, проводящие большую часть своего времени под водой, обладают замечательной способностью чувствовать небольшие волны и определять направление своей добычи. Эта способность стала возможной благодаря невероятно сложному и чувствительному органу чувств, расположенному на их коже. Орган состоит из полушарных чувствительных бугорков, которые расположены повторяющимся образом с морщинистыми шарнирами между ними. Когда крокодил двигает своим телом, шарниры деформируются, в то время как сенсорная часть остается незатронутой механическими деформациями, что позволяет крокодилу сохранять исключительный уровень чувствительности к внешним раздражителям во время плавания или охоты под водой.
Исследовательская группа успешно воспроизвела структуру и функцию органа чувств крокодила, чтобы разработать датчик давления, который можно легко растянуть. Изобретая полусферический эластомерный полимер с тонкими складками, содержащий либо длинные, либо короткие нанопроволоки, они создали устройство, которое превосходит доступные в настоящее время датчики давления. В то время как другие датчики теряют чувствительность при механических деформациях, этот новый датчик сохраняет свою чувствительность даже при растяжении в одном или двух разных направлениях.
Благодаря мелкоморщинистой структуре на поверхности датчик может сохранять высокую чувствительность к давлению даже при значительных деформациях. Когда прикладывается внешнее механическое усилие, морщинистая структура разворачивается, уменьшая нагрузку на сенсорную область полушария, которая отвечает за обнаружение приложенного давления. Такое снижение напряжения позволяет датчику сохранять свою чувствительность к давлению даже при деформациях. В результате новый датчик демонстрирует исключительную чувствительность к давлению даже при растяжении до 100 % в одном направлении и до 50 % в двух разных направлениях.
Исследовательская группа разработала растягиваемый датчик давления, подходящий для широкого спектра носимых устройств с разнообразными приложениями. Чтобы оценить его работу, исследователи закрепили датчик на пластиковом крокодиле и погрузили его в воду. Интересно, что установленный датчик смог обнаружить небольшие водные волны, успешно воспроизведя сенсорные возможности органа чувств крокодила.
«Это носимый датчик давления, который эффективно определяет давление даже при растяжении», — объяснил профессор Чо, возглавлявший группу. Он добавил: «Его можно использовать для различных приложений, таких как датчики давления протезов, электронная кожа мягкой робототехники, VR, AR и человеко-машинные интерфейсы».
Статья с изложением результатов исследования была опубликована в журнале Small и размещена на обложке.
