Российские ученые близки к созданию идеальной электронной кожи 

Покрытие человека

Электронная кожа — это сверхтонкая, очень легкая и при этом прочная пластинка, которая отлично тянется. Она может имитировать функции и механические свойства кожи человека. Ее можно использовать для того, чтобы отслеживать физиологические показатели организма или для расширения возможностей тела, например, для восстановления чувствительности после ожогов и травм, а также для создания протезов следующего поколения. Наиболее прогрессивные ученые считают, что со временем электронная кожа сможет полноценно заменить носимые гаджеты — смарт-часы или фитнес-трекеры. 

Разрабатывая «умную кожу», специалисты во всем мире стремятся как можно точнее воссоздать функции человеческой сенсорной системы. Так, наиболее чувствительные механические рецепторы находятся на кончике языка и пальцев рук человека. Их еще называют тактильными, диапазон давления — 20–50 Па. Российские ученые пояснили, что в мире уже существуют многочисленные датчики давления для робототехники, однако с чувствительностью до 10 Па. И они имеют низкую степень биологической совместимости, поэтому их сложно применять, например, в медицине. 

Мировые новинки

Экспериментировать над созданием электронной кожи стали не так давно, а разработчики уже предлагают совершенно неожиданные решения. Все они основаны на использовании наноматериалов и ультрасовременных датчиков. Так, довольно необычный вариант в прошлом году представили немецкие ученые. Чтобы придать искусственной коже чувствительность, они снабдили ее крошечными встроенными волосками. А на их концах, которые утопали в коже, разместили крошечные магниты в виде луковицы. Так датчики, расположенные под ними, точно определяли место прикосновения, направление движения касания, его силу и другие особенности. Однако сама кожа, по признанию разработчиков, все же не обладала такой же эластичностью, как человеческая.

Электронная кожа с магнитными волосками, которые помогают ей точнее чувствовать прикосновение Изображение: © Research Group Prof. Dr. Oliver G. Schmidt

Американские инженеры разработали электронную кожу, которую можно как восстанавливать, так и полностью утилизировать. Например, при небольшом разрыве датчика на место повреждения нужно нанести полиимид, а затем немного подождать. 

При комнатной температуре «лечение» займет полчаса, при нагреве до 80 градусов — 10 минут. Если повреждения слишком серьезные, то электронную кожу можно растворить в специальном растворе. Хотя полиимид — один из самых дорогих полимеров, так что эта разработка вряд ли станет массовой. 

Электронная кожа со встроенными датчиками температуры, влажности и деформации может полностью перерабатываться для повторного использования Изображение: Rehealable, fully recyclable, and malleable electronic skin enabled by dynamic covalent thermoset nanocomposite / AAAS

Российским же исследователям удалось создать элементы, которые помогут разработать практически идеальную электронную кожу. Новые сверхчувствительные датчики из биосовместимого материала для нее  сделали сотрудники Московского института электронной техники и Сеченовского университета.

Они изготовили два типа чувствительных сенсоров деформации. Чтобы убедиться в их работоспособности, ученые сделали специальную перчатку — сенсорную интеллектуальную систему распознавания жестов. 

Тест на жест

Перчатка мягкая, она удобна в носке, плотно облегает пальцы и не сковывает движения. Сенсоры сделали для каждого пальца руки и подсоединили их к электронному блоку, который был подключен к компьютеру через Bluetooth. На мониторе отображалась программа визуализации, чтения и хранения данных с датчиков.

Необходимые элементы тестирования датчиков: а) прикрепленные к перчатке датчики; b) электронный блок; с) компьютер, к которому подключен блок; d) программа визуализации Изображение: Laser-Formed Sensors with Electrically Conductive MWCNT Networks for Gesture Recognition Applications ANIA / MDPI

Рука имеет сложную асимметричную геометрическую форму, а жесты, которые ей можно показывать, разнообразны. Разработка гибких сенсоров деформации позволила максимально точно зафиксировать движение жестов. Эти датчики можно разместить как на перчатках, так и на самих пальцах.

Для эксперимента было выбрано 11 жестов, включая базовый – кулак. Сигналы регистрировались каждый раз при чередовании базового и изучаемого жестов. Для каждого жеста данные собирали в течение 30 минут, основные и распознаваемые жесты менялись каждые 5 секунд Изображение: Laser-Formed Sensors with Electrically Conductive MWCNT Networks for Gesture Recognition Applications ANIA / MDPI

Что показал тест?

Разработанные датчики отличаются от известных аналогов тем, что создавались на основе биологического или биологически совместимого материала. Они легко наносятся и снимаются. Благодаря высокой эластичности могут с высокой точностью регистрировать данные, несмотря на растягивание и изгибы.

Чувствительность сенсоров оказалась на уровне 20–60 Па, а точность результатов — 94 %. Кроме того, по сравнению с аналогичными изобретениями, российские датчики оказались дешевле в производстве. 

Секрет успеха в чувствительном элементе датчика, который был создан на основе пленки из композиционного наноматериала. Ее толщина — меньше микрометра. 

По словам ученых, такие сенсоры могут применяться в малоинвазивной хирургии: для завязывания узлов в лапароскопии, точного контроля режущего инструмента, сбора тактильных данных в точке контакта хирургического инструмента или в диагностике. Кроме того, применение тактильного датчика может упростить процедуру биопсии.