Исследовательская группа из Хемница и Дрездена сделала большой шаг вперед в разработке чувствительной электронной кожи (e-skin) со встроенными искусственными волосами. Электронные скины — это гибкие электронные системы, которые пытаются имитировать чувствительность своих аналогов из естественной кожи человека. Области применения варьируются от замены кожи и медицинских датчиков на теле до искусственной кожи для человекоподобных роботов и андроидов. Крошечные поверхностные волоски могут воспринимать и предвосхищать малейшие тактильные ощущения на коже человека и даже распознавать направление прикосновения. Современные электронные системы кожи лишены этой возможности и не могут собирать эту важную информацию о своем окружении.
Исследовательская группа под руководством профессора доктора Оливера Г. Шмидта, руководителя кафедры материальных систем для наноэлектроники, а также научного директора Исследовательского центра материалов, архитектур и интеграции наномембран (MAIN) в Хемницком технологическом университете, исследовали новый путь разработки чрезвычайно чувствительных и зависящих от направления 3D-датчиков магнитного поля, которые можно интегрировать в систему электронной кожи (активную матрицу). Команда использовала совершенно новый подход к миниатюризации и интеграции массивов 3D-устройств и сделала важный шаг к имитации естественного прикосновения к человеческой коже. Исследователи сообщили о своих результатах в текущем выпуске журнала Nature Communications.
Кристиан Беккер, аспирант исследовательской группы профессора Шмидта в MAIN и первый автор исследования, говорит: «Наш подход позволяет точное пространственное расположение функциональных сенсорных элементов в 3D, которые могут производиться серийно в параллельном производственном процессе. Такие сенсорные системы чрезвычайно трудно генерировать с помощью общепринятых методов изготовления микроэлектроники».
Новый подход: элегантная технология оригами объединяет 3D-датчики с микроэлектронной схемой
Ядром сенсорной системы, представленной исследовательской группой, является датчик так называемого анизотропного магнитосопротивления (AMR). Датчик AMR можно использовать для точного определения изменений магнитных полей. Датчики AMR в настоящее время используются, например, в качестве датчиков скорости в автомобилях или для определения положения и угла движущихся компонентов в различных машинах.
Чтобы разработать сверхкомпактную сенсорную систему, исследователи воспользовались преимуществами так называемого «процесса микро-оригами». Этот процесс используется для объединения компонентов датчика AMR в трехмерные архитектуры, которые могут разрешать магнитное векторное поле в трех измерениях. Микро-оригами позволяет разместить большое количество микроэлектронных компонентов в небольшом пространстве и расположить их в геометрической форме, недостижимой с помощью традиционных технологий микропроизводства. «Процессы микрооригами были разработаны более 20 лет назад, и замечательно видеть, как весь потенциал этой элегантной технологии теперь можно использовать для новых приложений микроэлектроники», — говорит профессор Оливер Г. Шмидт.
Исследовательская группа интегрировала массив магнитных датчиков 3D-микрооригами в единую активную матрицу, где каждый отдельный датчик можно удобно адресовать и считывать с помощью микроэлектронной схемы. «Сочетание магнитных датчиков с активной матрицей и самособирающихся архитектур микрооригами — это совершенно новый подход к миниатюризации и интеграции систем 3D-датчиков с высоким разрешением», — говорит д-р Даниил Карнаушенко, внесший решающий вклад в разработку концепции, дизайна и реализации. проекта.
Крошечные волоски предвосхищают и воспринимают направление прикосновения в режиме реального времени.
Исследовательской группе удалось интегрировать 3D-датчики магнитного поля с тонкими волосками с магнитными корнями в искусственную электронную кожу. Электронная кожа сделана из эластомерного материала, в который встроена электроника и датчики, подобно органической коже, которая переплетена нервами.
Когда волосы касаются и изгибаются, движение и точное положение магнитного корня могут быть обнаружены лежащими в основе трехмерными магнитными датчиками. Таким образом, сенсорная матрица способна не только регистрировать движение волос, но и определять точное направление движения. Как и в случае с настоящей человеческой кожей, каждый волосок на электронной коже становится полноценным сенсорным блоком, способным воспринимать и обнаруживать изменения поблизости.
Магнитно-механическая связь между трехмерным магнитным датчиком и магнитным корнем волоса в режиме реального времени обеспечивает новый тип сенсорного восприятия системой электронной кожи. Эта способность имеет большое значение, когда люди и роботы работают в тесном сотрудничестве. Например, робот может распознавать взаимодействие с человеком-компаньоном заблаговременно со многими деталями непосредственно перед предполагаемым контактом или непреднамеренным столкновением.
