Утконосы вдохновили ученых на создание мультирецепторной искусственной кожи

Инженеры и ученые разработали множество систем, имитирующих органы. Многие из них несовершенны и значительно уступают своим природным аналогам в точности и чувствительности. Разработка более совершенных сенсоров могла бы значительно улучшить эти системы, позволяя им точно улавливать широкий спектр информации из окружающей среды.

Утконос обладает уникальной двойной сенсорной системой. Слабое зрение животного скомпенсировано электрорецепцией — способностью ощущать электрические поля и сигналы. Она позволяет обнаруживать как электрические, так и механические изменения в окружающей среде, что улучшает его способности находить добычу или замечать угрозы, не полагаясь на зрение. Это полуводное животное под водой смыкает специальные водонепроницаемые перепонки над глазами и ноздрями, то есть 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, вдохновленный утконосом, основан на двух ключевых принципах: контактной электризации и электростатической индукции. Когда кожа касается объекта, происходит передача электронов, что генерирует трибоэлектрический заряд, позволяющий коже воспринимать тактильные стимулы.

Для сбора информации с расстояния — телевосприятия — кожа использует электростатическую индукцию. Легирование наночастиц усиливает диэлектрическую поляризацию в эластомере, на основе которого создана кожа. Это позволяет системе обнаруживать изменения электрических полей вблизи заряженных объектов.

Мультирецепторная кожа состоит из тонких пленокполитетрафторэтилен (тефлон, PTFE) и полидиметилсилоксан (PDMS), структурно легированного эластомера с добавлением для улучшения диэлектрических свойств наночастиц титаната стронция (SrTiO₃), слоя серебряных нанопроводов, функционирующих как электрод, и подложки, обеспечивающей гибкость и защиту.

Искусственная кожа использует усиленные механизмы поляризации для «чувствования» на расстоянии. В систему включили обработку данных методами глубокого обучения.

В экспериментах мультисенсорная кожа быстро и точно определяла материалы с точностью 99,56 процента, а также обнаруживала объекты на расстоянии. Мех искусственная кожа различала с 135 сантиметров, резину — с 90 сантиметров, фторированный этиленпропилен (fluorinated ethylene propylene) — с 80 сантиметров.

Исследователи стремятся дать роботам возможность обнаруживать объекты 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.