Новые датчики давления, разработанные китайскими учеными, основаны на принципах, используемых скорпионами для восприятия окружающей среды. Полученные устройства отличаются высокой чувствительностью и способны функционировать в широком диапазоне давлений.
Современные датчики давления имеют техническое ограничение: сложно одновременно достичь высокой чувствительности и работоспособности в широком диапазоне давлений. Кремниевые пьезорезистивные датчики, широко применяемые в медицине, промышленности и робототехнике, ставят инженеров перед необходимостью выбора между этими свойствами. Повышение чувствительности, как правило, ведет к ухудшению линейности измерений и уменьшению диапазона рабочих давлений.
В процессе многомиллионной эволюции живые существа нашли способы решения подобных задач значительно более удачные. Скорпионы, у которых зрение слаборазвито, выработали высокоточную механосенсорную систему, необходимую для выживания в непростых условиях. Их органы чувств состоят из двух типов структур: чувствительные волоски-трихоботрии, фиксирующие изменения в воздушных потоках, и щелевидные сенсиллы на панцире, реагирующие на вибрации, передающиеся от земли.
Ученые из Цзилиньского университета провели детальное исследование строения этих органов чувств. В ходе работы было установлено, что щели на панцире скорпиона функционируют как «ловушки напряжений», концентрируя механическую энергию в шесть раз эффективнее окружающих тканей. Волоски-трихоботрии обладают особой когтеобразной структурой у основания, которая подавляет нелинейные деформации и обеспечивает высокую точность восприятия. Научная статья опубликована в журнале Science Advances.
Исследователям удалось воссоздать принципы функционирования сенсоров скорпионов в кремниевом чипе. На верхней поверхности устройства расположены горизонтальные «ловушки напряжений» вокруг четырех пьезорезисторов, предназначенные для повышения чувствительности. На нижней стороне созданы вертикальные элементы, подавляющие изгиб, которые снижают нелинейные деформации и увеличивают точность измерений.
Выполненное компьютерное моделирование выявило преимущества биоинспирированной конструкции по сравнению с традиционными подходами. В ходе исследования сравнивались пять различных типов мембранных структур, и было установлено, что их дизайн позволяет достичь максимальной концентрации напряжений при минимальных деформациях. Использование элементов подавления изгиба уменьшило прогиб мембраны на 31% относительно стандартных конструкций.
Результаты экспериментальных испытаний подтвердили заявленные высокие показатели нового датчика. Устройство продемонстрировало чувствительность в 65,56 милливольт на вольт на килопаскаль, а его коэффициент линейности составил 0,99934 в диапазоне от 0 до 500 килопаскалей. Время отклика составило 10 миллисекунд, время восстановления — четыре миллисекунды. После 20 000 циклов нагружения датчик продолжал демонстрировать стабильные параметры.
Датчики показали умение определять различные типы воздушных потоков – ламинарный, переходный и турбулентный. Алгоритмы машинного обучения позволили системе распознавать приближающиеся объекты различной формы с точностью, превышающей 85%. Чтобы оценить потенциал технологии, исследователи оснастили шестиногого робота четырьмя датчиками, что позволило ему избегать крупные объекты, воспринимаемые как «хищники», и приближаться к мелким, как к «добыче».
Робот демонстрировал корректную реакцию на приближение картонных коробок различного размера, перемещающихся со скоростью 0,25 метра в секунду. Обнаружение небольших объектов сопровождалось сигналом датчиков в 22,6 милливольта, после чего робот разворачивался в их направлении. Более крупные объекты вызывали отклик в 100,8 милливольта, что приводило к отступлению робота.
Новые датчики открывают широкие возможности для развития робототехники и медицины. В отличие от оптических систем, эти датчики функционируют в условиях недостаточной освещенности, при наличии дыма или тумана. Они способны существенно повысить точность навигации роботов в непростых ситуациях и найти применение в медицинских системах мониторинга для фиксации слабых физиологических показателей. Разработчики намерены адаптировать технологию для установки на изогнутые поверхности роботов, имитирующих человека, что сопряжено с необходимостью решения инженерных задач, связанных с минимизацией влияния помех между датчиками.