Электронные кожи (e-skins) — это гибкие сенсорные материалы, разработанные для имитации способности человеческой кожи улавливать тактильную информацию при прикосновении к объектам и поверхностям. Высокопроизводительные e-skins могут использоваться для расширения возможностей роботов, создания новых тактильных интерфейсов и разработки более продвинутых протезов.

В последние годы исследователи и инженеры пытались разработать электронные кожи с отдельными тактильными блоками (т. е. такселами), которые могут точно определять как нормальные (т. е. перпендикулярные), так и сдвигающие (т. е. латеральные) силы. Хотя некоторые из этих попыток были успешными, большинство существующих многоосевых датчиков основаны на сложных конструкциях или требуют сложных процессов изготовления и калибровки, что ограничивает их широкое распространение.

Исследователи из CNRS-University of Montpellier представили новую мягкую электронную кожу, которая использует магнитные поля для независимого обнаружения сил по трем осям. Эта электронная кожа, описанная в статье, опубликованной в Nature Machine Intelligence , имеет простую конструкцию, которую можно легко воспроизвести в больших масштабах.

«Тактильное восприятие важно как для людей, так и для роботов, чтобы воспринимать и физически взаимодействовать с миром, в то время как существующие искусственные тактильные датчики все еще ограничены во многих аспектах», — рассказал Tech Xplore Юкан Ян, первый автор статьи.

«Вдохновленное человеческой кожей и свойством саморазъединения массива Хальбаха, это исследование было направлено на разработку технологии тактильного восприятия, которая может разъединять трехмерные силы в простой структуре датчика и процессе калибровки».

Датчик, разработанный Яном и его коллегами, состоит из трех основных слоев. Верхний слой представляет собой гибкую магнитную пленку, средний — эластомерный лист, а нижний — печатную плату (ПП).

Когда объект или поверхность касается датчика, верхняя гибкая магнитная пленка деформируется. Эта деформация, в свою очередь, влияет на магнитное поле под ней, позволяя нижнему слою на основе печатной платы улавливать изменения, вызванные контактом с данным объектом/поверхностью.

«Такое изменение магнитного поля обнаруживается датчиками Холла на нижнем слое, которые затем можно использовать для оценки приложенной силы», — пояснил Ян.

«По сравнению с несаморазвязывающимися датчиками, которые сложны как по своей структуре, так и по процессу калибровки, наш датчик сокращает время калибровки с кубических (N 3 ) масштабов до линейных (3N) масштабов, что обеспечивает оптимизированную конструкцию и простую калибровку, что важно для практических применений».

Ян и его коллеги оценили свой датчик в серии предварительных испытаний и обнаружили, что он может измерять трехмерное распределение приложенных к нему сил.

Исследователи показали, что его можно использовать для измерения распределения сил на искусственных коленных суставах, для обучения роботов новым ручным навыкам с помощью сенсорных демонстраций и для мониторинга биологических сигналов, когда пользователи занимаются различными видами деятельности.

«Мы обнаружили, что свойство двумерной саморазвязки массива Хальбаха можно обобщить на трехмерный случай путем наложения двух синусоидально намагниченных гибких магнитных пленок с ортогональными рисунками намагничивания», — сказал Ян.

«Это закладывает основу для разработки датчика, и мы демонстрируем, что наш датчик может использоваться в самых разных областях, включая измерение трехмерного распределения силы в искусственных коленных суставах, обучение роботов приготовлению кофе с помощью тактильной демонстрации и мониторинг сил взаимодействия между наколенниками и кожей человека во время различных видов деятельности».

Датчик, разработанный этой группой исследователей, вскоре может быть усовершенствован и протестирован в более широком диапазоне сценариев. В будущем его можно будет интегрировать с существующими или новыми роботизированными системами, носимыми технологиями и протезами для улучшения их тактильных сенсорных возможностей.

«Теперь мы еще больше оптимизируем конструкцию датчика, например, изменив материалы, из которых он изготовлен, и интегрировав его с другими типами роботов, такими как гуманоиды», — добавил Ян.