Исследователи из Национального университета Сингапура разработали электронную кожу нового поколения, способную распознавать прикосновения, обнаруживать собственные повреждения и самостоятельно восстанавливаться даже под водой. Новая технология, как ожидается, повысит надежность подводных роботов, протезов и носимой электроники, работающих в экстремальных условиях.
Разработка получила название SMES (Self-Healing Magnetoelectric Sensory System). В отличие от традиционных сенсоров, она не требует внешнего источника питания, распознает прикосновения и приближение объектов, а также способна полностью восстанавливать свою работоспособность на воздухе и под водой.
Главные мысли за 1 минуту
- Электронная кожа SMES восстанавливает до 92% эластичности после проколов и порезов, при нагреве эффективность достигает 82% за семь суток на воздухе.
- Устройство реагирует на прикосновения за 41 миллисекунду — это в десять раз быстрее человеческого моргания.
- Сенсор сохранил стабильную работу после 10 тысяч циклов и не потерял характеристик после десяти суток в искусственной морской воде.
- Прототип-перчатка для дайверов распознает пять команд: «Норма», «Поднимаюсь», «Опускаюсь», «Удерживаю» и «Нужна помощь».
- Электронная кожа не нуждается в батареях — сигнал вырабатывается за счет электромагнитной индукции.
Подводная электроника: главная проблема и неожиданное решение
Подводная среда считается одной из самых сложных для работы электронных устройств. Дайверы и подводные роботы используют различные датчики для навигации, связи и управления объектами. Традиционные сенсоры легко повреждаются, зависят от батарей, а после прокола или разреза практически перестают работать. Команда под руководством доцента Тана Ю Цзюня решила эту проблему, создав материал, вдохновленный свойствами человеческой кожи.
Как устроена саморегулируемая система
Электронная кожа состоит из нескольких слоев. Верхний слой отвечает за обнаружение повреждений, под ним расположен магнитоэлектрический сенсорный слой. Оба изготовлены из эластичного самовосстанавливающегося полимера с проводниками из жидкого металла.
Если поверхность проколоть, поцарапать или разрезать, электрическое сопротивление верхнего слоя резко возрастает. Система фиксирует повреждение почти так же, как живая кожа воспринимает боль. Самовосстановление происходит благодаря обратимым молекулярным связям внутри материала. Когда поврежденные поверхности снова соприкасаются, молекулы соединяются между собой, постепенно восстанавливая целостность материала.
Цифры и факты: что показали испытания
После проколов иглой сенсор возвращает первоначальные электрические характеристики за несколько секунд без какого-либо внешнего вмешательства. При глубоком разрезе достаточно кратковременно сжать материал, после чего начинается восстановление, а полная работоспособность возвращается спустя некоторое время.
Испытания показали, что материал восстанавливает до 92% своей первоначальной эластичности. При небольшом нагреве эффективность восстановления достигает около 82% в воздухе спустя семь суток и почти 100% после десяти дней нахождения под водой. Особенно важно, что электронная кожа сохраняет способность обнаруживать повреждения и восстанавливаться даже при полном погружении — для большинства подобных материалов именно подводные условия становятся главным препятствием.
В человеческом организме боль служит защитным сигналом, предупреждающим о повреждении. Новая электронная кожа получила аналогичную функцию, позволяя электронным устройствам самостоятельно обнаруживать повреждения и запускать процесс восстановления, — пояснил Тан Ю Цзюнь.
Автономность без батарей
Еще одной особенностью разработки стало отсутствие необходимости во внешнем источнике питания. Сенсор самостоятельно вырабатывает электрический сигнал благодаря электромагнитной индукции — тому же физическому принципу, который используется в генераторах и трансформаторах. Внутри устройства расположены небольшой магнит и катушка из жидкометаллического проводника. Когда к поверхности прикасаются или рядом появляется объект, магнит смещается относительно катушки, что вызывает изменение магнитного поля и появление электрического напряжения. Подобная конструкция особенно полезна для подводной техники, где замена или подзарядка аккумуляторов значительно осложнена.
В ходе испытаний сенсор реагировал примерно за 41 миллисекунду — это примерно в десять раз быстрее среднего человеческого моргания. Устройство сохранило стабильную работу после 10 тысяч циклов эксплуатации, а его характеристики практически не изменились после десяти суток пребывания в воде, включая искусственную морскую воду.
Прототипы и будущее технологии
Для демонстрации возможностей технологии исследователи создали два прототипа. Первый представляет собой умную перчатку для дайверов, которая позволяет передавать сообщения с помощью жестов рук. Каждый палец оснащен сенсором, формирующим уникальный электрический сигнал для определенного жеста. Информация передается по Bluetooth на смартфон. Система распознает команды «Норма», «Поднимаюсь», «Опускаюсь», «Удерживаю» и «Нужна помощь». Если датчик обнаруживает серьезное повреждение, на перчатке автоматически загораются красные светодиоды.
Вторым прототипом стала роботизированная рука, оснащенная новой электронной кожей. Во время испытаний она успешно захватывала и переносила предметы под водой, одновременно обнаруживая повреждения, возникавшие при контакте с острыми раковинами, и самостоятельно восстанавливая работоспособность.
Разработчики рассчитывают интегрировать новую технологию в промышленных роботов, бионические протезы и носимую электронику. Конечной целью является создание мягких роботизированных систем, которые смогут самостоятельно ощущать окружающую среду, определять повреждения и восстанавливать свои функции подобно живой коже. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.
