У людей кожа является самой большой сенсорной системой, и ощущение прикосновения играет важную роль в изучении нашей окружающей среды. Это особенно важно при проведении различия между мягкими и твердыми поверхностями и манипулировании хрупкими предметами.
Имитация мультимодальной сенсорной сети, существующей в коже человека, уже давно служит источником вдохновения для разработки так называемой электронной кожи. Роботизированные и медицинские технологии являются двумя основными факторами спроса на конформные и надежные технологии тактильного зондирования, объединяющие ученых в области компьютерных наук, электроники, робототехники, биомедицины и нейронауки.
Например, в робототехнике общепризнано, что добавление чувства прикосновения устранит неопределенность в обращении с мягкими и деформируемыми объектами, которые трудно моделировать в динамичной и неструктурированной среде. В медицине восстановление сенсорной обратной связи с пациентами с повреждением кожи, ампутацией конечностей или периферийной нейропатией может значительно улучшить их общее качество жизни. Интерфейсы интеллектуального зондирования еще предстоит использовать для подготовки по минимально инвазивным процедурам, таким как лапароскопия, для хирургии и для роботизированной интервенционной радиологии.
Ключевым элементом является возможность точной количественной оценки прикосновения (приложенного давления) на несколько порядков величины при сохранении высокой чувствительности, т.е. минимального уровня усилия, который может быть обнаружен датчиком. В большинстве случаев применения, знание величины внешних сил имеет решающее значение, но недостаточное, так как требуется также информация о положении, угле или деформации поверхности.
Наиболее распространенные электронные датчики кожи, основаны на трибоэлектрических, емкостных, пьезорезистивных, пьезоэлектрических, и магнитных режимах измерения. Следует подчеркнуть, что некоторые из этих датчиков являются био-инспиративными, гибкими и растягивающимися и даже самовосстанавливающимися.
Ощущение прикосновения обычно измеряется и восстанавливается путем преобразования внешнего сигнала в измеримые электрические сигналы, основанные на различных механизмах измерения. Несмотря на то, что эти электронные устройства способны воспринимать различные уровни давления, они имеют ряд ограничений. Можно отметить сложность изготовления, медленное время отклика, низкую воспроизводимость и скромную стабильность цикличности, при этом самым большим ограничением является сложность изготовления электронных шкурок большой площади, поскольку эти датчики часто требуют использования микроструктурированных моделей и слоев.
Поэтому очень важно разработать экономически эффективные и интеллектуальные тактильные интерфейсы для удовлетворения текущих потребностей в мягком и конформальном зондировании.
Существует органический оптический тактильный сенсор, совместимый с большой площадью, способный точно определять давление, положение и деформацию поверхности. В отличие от всех других датчиков, представленных на сегодняшний день:
- 1.тактильное зондирование достигается за счет пространственно-временных изменений интенсивности света, вызванных деформацией поверхности
- 2.датчик основан на органической оптоэлектронике и материалы очень совместимы с гибкими интерфейсами для протезирования и электронной кожи;
- 3.за счет физического механизма трехкратного уничтожения, захвата возбудителей и малых стоков все диоды полностью совместимы со сдвигом в три раза; они могут работать как органические светодиоды (OLED) или как органические фотодетекторы (OPD), и поэтому способны не только излучать, но и обнаруживать излучаемый свет;
4.сила прикосновения измеряется посредством изменения напряжения обрыва цепи;
5.динамический диапазон датчика может быть дополнительно настроен для решения конкретных задач.
На сегодняшний день свет уже используется в качестве вектора для создания искусственных мышц микроробототехники, в том числе чувствительного к биомикробным воздействиям растения или ходячего ботка с питанием от света. Для измерения оптической силы центральный диод произвольно выбирается для работы в качестве источника света постоянного тока, в то время как четыре окружающих диода работают в качестве OPD. Эластомерный купол диаметром 20 мм расположен и закреплен под решеткой. Купол снабжен отражающим покрытием с внутренней стороны, так что свет, излучаемый центральным диодом, рассеивается обратно на подложку. В режиме обнаружения работают четыре диода вокруг центрального излучающего диода, каждый из которых производит электрический сигнал, пропорциональный интенсивности полученного света (чем сильнее интенсивность света, тем сильнее электрический сигнал).
При проектировании и изготовлении необходимо следить за тем, чтобы структура решетки, включая высокоотражающие электроды, была симметричной под куполом, поэтому в состоянии покоя (без приложения силы) все диоды получают одинаковое количество света.
Кроме того, внешняя часть купола непрозрачна для устранения внешнего света, тем самым снижая уровень окружающего шума. Воздействие внешней силы на эластомерную поверхность (касание пальца, иглы или любого другого раздражителя) изменяет ее форму. Как следствие, распределение отраженного света под куполом будет меняться, что приведет к изменению электрических сигналов по всем детектирующим диодам.
Относительные различия в откликах от различных фотодиодов позволяют определить положение деформации, в то время как простая калибровка с помощью тактильного манипулятора робота может дать информацию об уровне приложенной силы. Неорганические светодиоды и кремниевые детекторы могут быть использованы для изготовления массива и измерения давления. Однако свойства неорганических технологий препятствуют включению чувствительных элементов в динамически подвижные системы с минимальным воздействием. Эта технология объединяет углеродные сопряженные полупроводники на основе углерода с недорогими технологиями изготовления для создания устройств, которые могут быть необычайно тонкими и легкими, гибкими, полупрозрачными, износостойкими, которые могут быть изготовлены в больших размерах. Органическая электроника широко применяется при разработке фотогальваники следующего поколения (органические фотогальванические элементы, OPVs), и экранов дисплеев.
Интересной особенностью рубрена - классической органической малой молекулы, является возможность обратимого генерирования одиночных возбудителей посредством тройного тройного аннигилирования. Эти возбудители могут подвергаться радиационному распаду до основного состояния и давать электролюминий. Кроме того, поглощение фотона в рубрене генерирует сильно ограниченный возбудитель, который может диссоциироваться для фотосенсибилизации. Для достижения этого требуется второй материал, выступающий в качестве акцептора электронов, - фуллерен (C60). Таким образом, устройства на основе гетеропереходов из рубрена/С60 могут использоваться либо для светового излучения, либо для обнаружения, и эти две особенности являются ключевым элементом тактильного зондирования.