Китайские ученые создали многорецепторную искусственную кожу, созданную по образу и подобию кожи утконоса. Она позволяет на некотором удалении фиксировать приближение объекта и определять его состав.
Специалисты и исследователи создали разнообразные системы, воспроизводящие функции органов. Однако, многие из них имеют недостатки и проигрывают естественным прототипам по точности и чувствительности. Усовершенствование сенсоров могло бы существенно повысить эффективность этих систем, обеспечивая их способность точно регистрировать обширный объем данных извне.
Утконос имеет необычную двойную систему восприятия. Его слабое зрение компенсируется электрорецепцией – способностью чувствовать электрические поля и сигналы. Благодаря этому он способен обнаруживать как электрические, так и механические изменения в окружающей среде, что помогает ему находить пищу или замечать опасность, не используя зрение. Под водой это полуводное животное закрывает специальные водонепроницаемые перепонки над глазами и ноздрями, поэтому не видит и не обоняет.
Первого автора новой статьи, Ди Вэя (Di Wei), вдохновил на исследование разговор об утконосах с девятилетней дочерью. Результаты представлены в журнале Science Advances.
Дизайн искусственной кожи, созданный под влиянием утконоса, базируется на двух основных принципах: контактной электризации и электростатической индукции. Когда кожа касается объекта, происходит передача электронов, что генерирует трибоэлектрический заряд, позволяющий коже воспринимать тактильные стимулы.
Для получения информации на расстоянии, то есть телевосприятия, кожа использует электростатическую индукцию. Добавление наночастиц в процессе легирования повышает диэлектрическую поляризацию эластомера, из которого изготовлена кожа. Благодаря этому система способна фиксировать изменения электрических полей, возникающих вблизи заряженных объектов.
Мультирецепторная кожа формируется из тонких пленок политетрафторэтилена (тефлон, PTFE) и полидиметилсилоксан (PDMS), структурно легированного эластомера с добавлением наночастиц титаната стронция для повышения диэлектрических характеристик ( SrTiO3), слой серебряных нанопроводов, выполняющий роль электрода, и подложка, которая обеспечивает гибкость и защиту.
Искусственная кожа применяет усовершенствованные механизмы поляризации, позволяющие ей обнаруживать объекты на расстоянии. В систему включили обработку данных методами глубокого обучения.
В ходе исследований мультисенсорная кожа демонстрировала высокую скорость и точность при идентификации материалов, достигая 99,56 процента, а также позволяла обнаруживать объекты на расстоянии. Искусственный мех она различала с расстояния 135 сантиметров, резину — с 90 сантиметров, фторированный этиленпропилен ( fluorinated ethylene propylene) — с 80 сантиметров.
Ученые работают над тем, чтобы роботы могли распознавать предметы и взаимодействовать с окружающей средой без необходимости физического контакта. Мультирецепторная сенсорная система может быть использована для повышения чувствительности сенсоров в робототехнике, тактильных устройствах и протезах.