Совместная группа исследователей из Университета Пенсильвании (Penn State) в США и Технологического университета Хэбэя в Китае разработала экономичный и высокочувствительный датчик, способный к обнаружению тонких импульсов в задачах, связанных с взаимодействием человека и машины. Об этом сообщает германский научный портал Nanowerk. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
«Датчик может обнаруживать даже крошечные изменения давления в условиях, когда уже приложено большое давление. Если использовать аналогию, то это как «обнаружить муху на слоне». Он может измерять малейшее изменение давления точно так же, как наша кожа делает это при легком прикосновении другого человека», – сказал Хуаньюй «Ларри» Ченг, адъюнкт-профессор инженерных наук и механики в Университете Пенсильвании и соавтор статьи о научной работе, опубликованной в Nature Communications.
Ченг также рассказал, что был вдохновлен на разработку этих датчиков очень личным опытом: рождением его второй дочери. Дочь Ченга потеряла 10% своего веса вскоре после рождения, поэтому врач попросил его взвешивать ребенка каждые два дня, чтобы отслеживать любые дополнительные потери или прибавки в весе. Ченг попытался делать это при помощи обычных домашних весов, но эта попытка не сработала: изменения в весе были мало ощутимыми.
Исследователи, перепробовав множество различных подходов, обнаружили, что использование датчика давления, состоящего из градиентных микропирамидальных структур и ультратонкого ионного слоя для получения емкостного отклика, было наиболее перспективным. Но на этом пути оставалась серьезная проблема: чувствительность микроструктур имела свойство снижаться по мере увеличения давления.
Случайные микроструктуры, созданные по шаблону из природных объектов, приводили к неконтролируемой деформации и узкому линейному диапазону. Проще говоря, когда к датчику прикладывалось давление, оно изменяло форму датчика и, следовательно, изменяло площадь контакта между микроструктурами и искажало показания.
Чтобы решить эти проблемы, ученые разработали модели микроструктуры, которые могли увеличить линейный диапазон без снижения чувствительности. Они прибегли к использованию CO2-лазера с гауссовым лучом для изготовления программируемых микроструктур для ионно-электронных датчиков, которые смогли имитировать функции восприятия кожи человека.
Этот процесс оказался проще и дешевле по сравнению с фотолитографией – методом, обычно используемым для подготовки тонких моделей микроструктуры для датчиков. Ченг назвал инициатором этого решения аспиранта своей лаборатории Руокси Янга.
Разработанный в итоге оптимизированный датчик имел быстрое время отклика и восстановления, а также отличную воспроизводимость, которую команда проверила, обнаружив тонкие импульсы, управляя интерактивными роботизированными руками и создав «умные весы» со сверхвысоким разрешением.
Ученые также обнаружили, что предложенные подходы к изготовлению и инструментарий проектирования из этой работы можно использовать для более простой настройки характеристик датчика давления при различных целевых применениях и открытия возможностей для создания других типов ионно-электронных датчиков.
«В частности, мы смогли обнаружить пульс не только на запястье, но и на других дистальных сосудистых структурах, таких как бровь и кончик пальца. С учетом того, что мы объединяем это с системой управления, которую можно использовать для будущего интерактивного взаимодействия человека с различной робототехникой, можно предвидеть и другие виды использования подобных датчиков в здравоохранении, например, для тех, кто потерял конечность, этот датчик может быть частью системы, помогающей им управлять роботизированной конечностью», – сказал Ченг.
Ченг отметил и другие потенциальные области применения, такие как датчики для измерения пульса человека во время стрессовых рабочих ситуаций, таких как поисково-спасательные работы после землетрясения или выполнение сложных и опасных работ на строительной площадке.