В протезировании человеческой кожи, методах зондирования организма и робототехнике близко начало новой эры. В журнале Nature Materials рассказывается об успехах сразу двух научных групп, которым удалось создать «искусственную кожу». Она представляет собой массивы датчиков — активных преобразователей малых размеров — на гибкой полимерной подложке. При этом датчики успешно демонстрируют чувствительность и временную реакцию, как у кожи человека.
Примечательно, что две группы использовали разные подходы к созданию «искусственной кожи».
Чженань Бао из Стэнфордского университета и его коллеги в своей работе использовали массив чувствительных к давлению конденсаторов, интегрированных внутри органических полевых транзисторов. <1>Напомним, что полевыми транзисторами называются приборы на полупроводниках, в которых ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом, а не за счет того, что транзистор состоит из чередующихся слоев полупроводника, в которых чередуется тип примесной проводимости (известные со школы n-p-n или p-n-p структуры). За счет того что органические транзисторы состоят из органических веществ и являются сверхтонкими, они могут использоваться для контроля биологической активности на клеточном уровне.
В другой работе Али Джави и его коллеги из Университета Калифорнии в Беркли использовали полевой транзистор с массивами нанопроводов и чувствительный к давлению слой резины, который действует по принципу перестраиваемого резистора.
Главной задачей ученых в данной работе было создание материала, который позволял бы чувствовать и осязать предметы, чтобы решить одну из главных задач робототехники:
адаптировать количество силы, необходимой для удержания широкого круга объектов и манипулирования ими.
«Люди обычно знают, как держать хрупкое куриное яйцо и не разбить его. Так и мы хотим когда-нибудь создать робота, который, например, может брать посуду, переносить ее и при этом не разбивать», — так объяснил задачу, которая стояла перед научно-исследовательской группой, ведущий автор публикации и руководитель проекта Али Джави.
Органические материалы являются нелучшими проводниками, и для работы электронных устройств на их основе требуется высокое напряжение. <4>Неорганические же материалы имеют отличные проводящие свойства, но являются хрупкими и негибкими. Зато сделанная из таких веществ сверхтонкая проволока может быть достаточно гибкой, поэтому именно их ученые и использовали в своей работе для создания «искусственной кожи», которая требует сочетания высокой производительности и механической гибкости электронных устройств.
В конечном итоге ученые создали квадратную матрицу размером 7х7 сантиметров, содержащую в себе 18 пикселей на одной стороне и 19 на другой. Каждый пиксель представляет собой транзистор, содержащий сотни полупроводниковых нанопроводов.
Для работы матрицы требуется напряжение менее 5 вольт, к тому же она продолжает работать и после двух тысяч изгибов.
Данный массив, получивший название e-skin, способен регистрировать оказываемое на отдельные участки пикселей давление в диапазоне от 0 до 15 килопаскалей. Ну а в качестве демонстрации своей работы ученые положили на матрицу букву «C» — эмблему университета Беркли в Калифорнии — и успешно получили отображение этой эмблемы своей матрицей.