Pielea electronică anticipează și percepe atingerea din diferite direcții pentru prima dată

O echipă de cercetare din Chemnitz și Dresda a făcut un pas major în a dezvolta pielea electronică sensibilă (e-skin) cu păr artificial integrat.

Pielea electronică înseamnă de fapt sisteme electronice flexibile care încearcă să imite sensibilitatea pielii umane naturale.

Aplicațiile variază de la înlocuirea pielii și senzori medicali pe corp până la piele artificială pentru roboți umanoizi și androizi.

Pielea electronică nu putea fi făcută utilizând sistemele de până acum

Micile fire de păr de suprafață pot percepe și anticipa cea mai mică senzație tactilă de pe pielea umană și chiar pot recunoaște direcția atingerii. Sistemele electronice moderne de piele nu au această capacitate și nu pot aduna aceste informații critice despre vecinătatea lor.

O echipă de cercetare condusă de prof. dr. Oliver G. Schmidt, șeful Catedrei de Sisteme Materiale pentru Nanoelectronică, precum și director științific al Centrului de Cercetare pentru Materiale, Arhitecturi și Integrarea Nanomembranelor (MAIN) de la Universitatea Tehnică Chemnitz, a a explorat o nouă cale de dezvoltare a senzorilor de câmp magnetic 3D extrem de sensibili și dependenți de direcție, care pot fi integrați într-un sistem e-skin.

Echipa a folosit o abordare complet nouă pentru miniaturizarea și integrarea matricelor de dispozitive 3D și a făcut un pas major spre imitarea simțului natural al pielii umane.

Cercetătorii și-au publicat rezultatele în revista Nature Communications.

Doctorandul Christian Becker, din grupul de cercetare al Prof. Schmidt de la MAIN și primul autor al studiului, spune că „abordarea lor permite o aranjare spațială precisă a elementelor senzoriale funcționale în 3D care pot fi produse în serie într-un proces de fabricație paralel. Astfel de sisteme de senzori sunt extrem de dificil de realizat prin metodele de fabricație microelectronică consacrate”.

Pielea electronică este realizată cu ajutorul origami

Nucleul sistemului de senzori prezentat de echipa de cercetare este așa-numitul senzor de magnetorezistență anizotropă (AMR). Un senzor AMR poate fi utilizat pentru a determina cu precizie modificările câmpurilor magnetice. Senzorii AMR sunt utilizați în prezent, de exemplu, ca senzori de viteză în mașini sau pentru a determina poziția și unghiul componentelor aflate în mișcare într-o varietate de utilaje.

Pentru a dezvolta sistemul de senzori extrem de compact, cercetătorii au profitat de așa-numitul „proces de micro-origami”. Acest proces este utilizat pentru a plia componentele senzorului AMR în arhitecturi tridimensionale care pot rezolva câmpul vectorial magnetic în trei dimensiuni.

Micro-origami permite ca un număr mare de componente microelectronice să încapă într-un spațiu mic și să fie aranjate într-o geometrie care nu este realizabilă prin nicio tehnologie convențională de microfabricare.

„Procesele de micro-origami au fost dezvoltate în urmă cu mai bine de 20 de ani și este minunat să vedem cum întregul potențial al acestei tehnologii elegante poate fi acum exploatat pentru noi aplicații microelectronice”, spune prof. Oliver G. Schmidt.

Echipa de cercetare a integrat matricea de senzori magnetici 3D micro-origami într-o singură matrice activă, în care fiecare senzor individual poate fi accesat și citit în mod convenabil prin circuite microelectronice.

„Combinația dintre senzorii magnetici cu matrice activă și arhitecturile micro-origami cu auto-asamblare este o abordare complet nouă de miniaturizare și integrare a sistemelor de detecție 3D de înaltă rezoluție”, spune dr. Daniil Karnaushenko, care a contribuit decisiv la conceptul, designul și implementarea proiectului.

Firele de păr minuscule anticipează și percep direcția atingerii în timp real

Echipa de cercetare a reușit să integreze senzorii de câmp magnetic 3D cu fire de păr fine cu rădăcini magnetice într-un e-skin artificial. Pielea electronică este realizată dintr-un material elastomeric în care sunt încorporate componentele electronice și senzorii într-un mod asemănător cu pielea organică, care este străbătută de nervi.

Atunci când părul este atins și se îndoaie, mișcarea și poziția exactă a rădăcinii magnetice pot fi detectate de senzorii magnetici 3D care stau la bază. Prin urmare, matricea senzorului nu numai că poate înregistra mișcarea părului, ci și determină direcția exactă a acesteia.

Ca și în cazul pielii umane reale, fiecare fir de păr de pe un e-skin devine o unitate senzorială completă care poate percepe și detecta schimbările din apropiere, scrie Tech Xplore.

Cuplajul magneto-mecanic dintre senzorul magnetic 3D și rădăcina magnetică a părului în timp real oferă un nou tip de percepție sensibilă la atingere de către un sistem e-skin.

Această capacitate este de mare importanță atunci când oamenii și roboții lucrează împreună. De exemplu, robotul poate simți interacțiunile cu un însoțitor uman cu mult înainte, cu multe detalii chiar înainte ca un contact intenționat sau o coliziune neintenționată să aibă loc.

Vă recomandăm să citiți și:

Large Hadron Collider a accelerat protoni la un nivel de record mondial

Cercetătorii au inventat „nasul electronic” care poate detecta băutura contrafăcută

Viitoarele așezări de pe Marte ar putea fi construite cu ajutorul bacteriilor

Astronauții de pe Marte vor putea produce combustibil în regim autonom. Cum este posibil?