Скорпионоподобные датчики давления научили роботов чувствовать воздух

Современные датчики давления сталкиваются с технической проблемой — невозможностью одновременно обеспечить высокую чувствительность и работу в широком диапазоне давлений. Кремниевые пьезорезистивные датчики, которые широко используются в медицине, промышленности и робототехнике, заставляют инженеров выбирать между этими характеристиками. Увеличение чувствительности обычно приводит к снижению линейности измерений и сужению рабочего диапазона.

Живые организмы за миллионы лет эволюции решили подобные задачи гораздо эффективнее. Скорпионы, обладающие слабым зрением, развили исключительно точную механосенсорную систему для выживания в сложных условиях. Их органы чувств включают два типа структур: тонкие волоски-трихоботрии, улавливающие изменения воздушных потоков, и щелевидные сенсиллы на панцире, воспринимающие вибрации от земли.

Исследователи из Цзилиньского университета детально изучили строение этих органов чувств. Они обнаружили, что щели на панцире скорпиона работают как «ловушки напряжений», концентрируя механическую энергию в шесть раз эффективнее окружающих тканей. Волоски-трихоботрии имеют специальную когтеобразную структуру у основания, которая подавляет нелинейные деформации и обеспечивает высокую точность восприятия. Научная статья опубликована в журнале Science Advances.

Ученые воспроизвели принципы работы скорпионьих сенсоров в кремниевом чипе. На верхней стороне устройства разместили горизонтальные «ловушки напряжений» вокруг четырех пьезорезисторов для усиления чувствительности. На нижней стороне создали вертикальные элементы подавления изгиба, которые уменьшают нелинейные деформации и повышают точность измерений.

Компьютерное моделирование показало преимущества биоинспирированной конструкции перед традиционными решениями. Исследователи сравнили пять различных типов мембранных структур и обнаружили, что их дизайн обеспечивает максимальную концентрацию напряжений при минимальных деформациях. Элементы подавления изгиба снизили прогиб мембраны на 31% по сравнению с обычными конструкциями.

Экспериментальные испытания подтвердили высокие характеристики нового датчика. Устройство показало чувствительность 65,56 милливольта на вольт на килопаскаль при коэффициенте линейности 0,99934 в диапазоне от нуля до 500 килопаскалей. Время отклика составило 10 миллисекунд, время восстановления — четыре миллисекунды. Датчик сохранял стабильные характеристики после 20 000 циклов нагружения.

Датчики продемонстрировали способность различать типы воздушных потоков: ламинарный, переходный и турбулентный. С помощью алгоритмов машинного обучения система распознавала приближающиеся объекты разной формы с точностью свыше 85%. Для проверки возможностей технологии ученые установили четыре датчика на шестиногого робота, который научился избегать крупные объекты как «хищников» и приближаться к мелким как к «добыче».

Робот успешно реагировал на приближение картонных коробок разного размера, двигающихся со скоростью 0,25 метра в секунду. При обнаружении малого объекта датчики выдавали сигнал 22,6 милливольта, и робот поворачивался в его сторону. Крупные объекты вызывали отклик 100,8 милливольта, заставляя робота отступать.

Новые датчики открывают широкие перспективы для робототехники и медицины. В отличие от оптических систем, они работают в темноте, при наличии дыма или тумана. Устройства могут значительно улучшить навигацию роботов в сложных условиях и найти применение в системах медицинского мониторинга для регистрации слабых физиологических сигналов. Исследователи планируют адаптировать технологию для установки на изогнутые поверхности гуманоидных роботов, что потребует решения инженерных задач по предотвращению взаимных помех между датчиками.

Илья Гриднев

86 статей

Автор материалов на стыке разных областей знания — от археологии и палеонтологии до физики и технологий. Интересуется тем, как работает мир, и рассказывает об этом понятно и увлекательно.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram