Учёные из Пекинского института наноэнергетики и наносистем и Университета Цинхуа разработали новую многорецепторную кожу, вдохновлённую сенсорными способностями утконоса. Эта кожа может быть использована для повышения сенсорных возможностей роботизированных, тактильных и протезных систем.

Утконос обладает уникальной двойной сенсорной системой, которая позволяет ему обнаруживать как электрические, так и механические изменения в окружающей среде. Эта сложная сенсорная система позволяет ему обнаруживать добычу или потенциальные угрозы, не полагаясь на зрение. Разработанная группой учёных многорецепторная сенсорная система может воспринимать тактильные стимулы и собирать сенсорную информацию на расстоянии.

«Моя 9-летняя дочь рассказала мне о документальном фильме об утконосе, который она смотрела. Она спросила знаю ли я, что утконос — это яйцекладущее млекопитающее, которое не полагается на глаза при охоте. Её вопрос пробудил во мне любопытство относительно сенсорных способностей утконоса. Это любопытство привело к более глубокому изучению его замечательной сенсорной системы, что в конечном итоге вдохновило на это исследование», — рассказала Ди Вэй, ведущий автор статьи.

Сенсорная система, разработанная Вэй и коллегами, имеет двойную сенсорную конструкцию, которая имитирует электрорецепцию и механорецепцию утконоса. Эта уникальная конструкция позволяет коже точно определять объекты и собирать тактильную информацию с высокой чувствительностью, как при прикосновении к ним, так и на расстоянии.

Источник: DALL-E

«Мы стремились воспроизвести возможности утконоса в искусственной коже, которая сочетает в себе как тактильные, так и телевосприятие. Наша главная цель состояла в том, чтобы расширить диапазон восприятия искусственных систем, позволяя роботам обнаруживать и взаимодействовать с окружающей средой, не полагаясь исключительно на физический контакт», — сказала Вэй.

Разработанная кожа, вдохновлённая утконосом, основана на двух ключевых принципах: контактной электризации и электростатической индукции. Когда она касается другого материала, перекрытие электронных облаков в двух материалах облегчает передачу электронов, в конечном итоге генерируя трибоэлектрическое электричество. Это позволяет коже воспринимать тактильные стимулы.

Для сбора сенсорной информации на расстоянии кожа вместо этого полагается на электростатическую индукцию. По сути, структурированное легирование наночастиц в эластомере, на котором основана кожа, усиливает диэлектрическую поляризацию, позволяя системе обнаруживать изменения в электрических полях, когда заряженные объекты находятся поблизости.

«С точки зрения состава, многорецепторная кожа следует одноэлектродной конструкции. Она состоит из тонкой пленки ПТФЭ и ПДМС, структурированного легированного эластомера, в который встроены неорганические неметаллические наночастицы для повышения диэлектрических свойств, слоя серебряной нанопроволоки [AgNW], функционирующего в качестве электрода, и инкапсулированной подложки ПДМС, обеспечивающей гибкость и защиту», — пояснила Вэй.

Разработанная многорецепторная кожа может способствовать разработке новых технологий, которые могут ощущать объекты на расстоянии. Эти системы могут иметь широкий спектр реальных приложений, начиная от мониторинга окружающей среды в экстремальных климатических условиях и заканчивая взаимодействием человека с машиной и автономной навигацией роботов.

Иллюстрация концепции многорецепторной кожи. Источник: Du et al

«С практической точки зрения эта биоинспирированная репликация двойной сенсорной системы утконоса — объединяющая тактильное и телевосприятие — знаменует собой значительный прогресс в мультимодальном распознавании. Этот прорыв устраняет ограничения традиционных бесконтактных датчиков, обеспечивая более точную и надежную работу в сложных условиях», — сказала Вэй.

Эта работа может проложить путь к разработке других сенсорных систем, которые полагаются на двойные сенсорные конструкции. Исследователи работают над дальнейшим улучшением многорецепторной системы, повышая её универсальность и облегчая широкомасштабное развёртывание.

«Наши будущие исследования будут сосредоточены на расширении возможностей электронного рецептора не только за счёт более глубокой интеграции искусственного интеллекта, но и за счёт внедрения инновационных материалов для расширения диапазона и точности обнаружения электрического поля. В частности, мы стремимся улучшить адаптивность и надёжность системы в экстремальных или непредсказуемых условиях. Кроме того, мы усовершенствуем электронный рецептор, включив дополнительные сенсорные модальности, что позволит реагировать на более сложные стимулы и предлагать более широкий диапазон восприятия», — сказала Вэй.

В рамках своих следующих исследований Вэй и её коллеги также планируют оптимизировать возможности обработки данных своей системы, чтобы она могла надёжно обрабатывать данные и точно обнаруживать объекты в реальном времени. Это может быть особенно полезно для приложений, требующих быстрой обработки сенсорных данных, таких как автономные транспортные средства и человеко-машинные интерфейсы.