Научные специалисты из Университета Дунхуа в Китае и Юлихского центра нейтронных исследований (JCNS) в Германии разработали новую искусственную ионную кожу на основе самовосстанавливающейся эластичной нанометки – структуры, напоминающей человеческую кожу, что способно значительно улучшить сенсорные возможности роботов. Об этом сообщает портал TechXplore. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
«С быстрым развитием искусственного интеллекта и эластичной робототехники исследователи в настоящее время активно пытаются покрыть роботов-гуманоидов «искусственной кожей», которая воспроизводит все механические и сенсорные свойства кожи человека, чтобы они так же эффективно, как люди, могли воспринимать постоянно меняющуюся внешнюю среду», – ометил Шэнтонг Сан, один из ведущих исследователей.
Поскольку человеческая кожа представляет собой очень сложную и изощренную систему, имитировать все ее функции порой чрезвычайно сложно – особенно в способности ощущать различные изменения окружающей среды, включая давление, деформацию своей поверхности и колебания температуры.
В ионной коже это делается просто – за счет улавливания электронные сигналы от ионов. Кроме того, по словам разработчиков, новая искусственная кожа также может естественным образом заживлять раны за несколько дней, полностью восстанавливая свою структуру и функции. Что еще более важно, в течение примерно 1 миллиона циклов деформации в год наряду с движениями тела свойства кожи не ухудшаются, что свидетельствует об очень хороших параметрах долговечности.
Хотя ученые-материаловеды недавно разработали несколько искусственных кожных покровов, большинство из этих систем могут воспроизводить лишь часть естественных свойств кожи. Сан и его коллеги уже несколько лет пытаются создать более похожие на кожу материалы.
«В рамках исследований мы заметили, что человеческая кожа сочетает в себе несколько перспективных свойств иерархической нановолокнистой структуры, которая определяется жестким каркасом из коллагеновых фибрилл, встроенных в мягкую переплетенную эластиновую матрицу. Эти две фазы не только заживляют раны, но и придают коже очень высокую прочность на разрыв», – пояснил Сан.
На основе этих элементов естественной структуры кожи исследователи создали искусственный аналог на основе самовосстанавливающейся нанометки и ионной матрицы, которые могут воспроизводить функции коллагена и эластина соответственно. В результате получился похожий на кожу материал, который является мягким, но становится жестче при растяжении, а также может самостоятельно восстанавливаться после повреждения, устойчива к усталости и быстро реагирует на деформации формы, что особенно желательно для сенсорных устройств.
Нанометка была получена путем электропрядения синтетического полиуретана, который может самовосстанавливаться за счет обмена дисульфидными связями при комнатной температуре. Ионная матрица была изготовлена путем выпаривания водного раствора полиакриламид-акриловой кислоты, гиалуроновой кислоты и CaCl2. Благодаря способности двух исходных материалов к заживлению с помощью влаги гибридная ионная кожа также может заживлять повреждения в течение короткого периода времени.
Искусственная кожа, созданная Саном и его коллегами, имеет уникальную эластичную и нановолокнистую структуру, которая делает ее очень устойчивой к износу. В частности, встроенные полиуретановые нановолокна могут покрывать большие длины передачи усилия, тем самым притупляя трещины и предотвращая их дальнейшее распространение.
В первоначальных оценках система искусственной кожи дала очень многообещающие результаты. При тестировании было установлено, что даже с предварительно вырезанной выемкой гибридный материал оставался неповрежденным в течение более 10 000 циклов растяжения. Расчетный порог усталости гибридной ионной кожи оказался почти в два раза выше, чем у человеческих мышц.
В будущем конструкция, предложенная Саном и его коллегами, может быть использована для создания других прочных и ионопроводящих структур на основе иных комбинаций материалов. Кроме того, их открытие может помочь в разработке роботов-гуманоидов, которые более приспособлены чувствовать окружающую среду и меньше повреждаются с течением времени.