Бесчисленные аппаратные и программные решения, созданные за последние десятилетия, вдохновлены животными и природными явлениями. Сюда входят (e-skins), гибкие и растягиваемые электронные схемы, предназначенные для воспроизведения человеческого осязания или точного определения тактильных свойств объектов.
Исследователи из Даляньского технологического университета в Китае недавно создали новую искусственную кожу, вдохновленную меняющей цвет кожей кальмара. Эта электронная кожа, представленная в журнале Chemical Engineering Journal, отличается высокой гибкостью и устойчивостью к экстремальным температурам, а также обладает антибактериальными свойствами.
«Биологическая кожа преобразует информацию об окружающей среде в биоэлектрические сигналы и передает ее в нервную систему для восприятия внешнего напряжения, тактильных ощущений, вибрации, температуры и т. д.», — сказал Tech Xplore доктор Венбин Ню, один из исследователей, проводивших исследование. «Помимо биоэлектрических сигналов, в частности, кожа головоногих (например, кальмаров) может дополнительно активно воспринимать сложную окружающую среду посредством изменения цвета для общения, ухаживания, маскировки и даже терморегуляции».
Кожа, созданная доктором Ниу и его коллегами, основана на фотонно-ионной системе, позволяющей синхронно выводить оптические и электрические сигналы. Кроме того, она также объединяет молекулы лаурата моноглицерида, обладающие антибактериальными свойствами, что позволяет ей уничтожать более 99,9% бактерий и грибков.
«Кожа кальмара имеет яркий структурный цвет, возникающий из-за многослойной фотонной нано-сборки отражающих белков внутри иридофоров», — объяснил доктор Ниу. «Мы с коллегами успешно сконструировали кальмароподобную фотонную наноструктуру с помощью иерархической самособирающейся антибактериальной молекулы, а именно лаурата моноглицерида. Эта фотонная наноструктура была локализована в эластичной гелевой сети. Затем были введены антифриз PEG200 и проводящие ионы, получив фотонно-ионную кожу».
Когда искусственная кожа подвергается воздействию внешних раздражителей, например, когда она касается поверхности, решетка ее фотонной наноструктуры быстро меняется, что приводит к быстрому изменению цвета. Одновременно изменяются передвижение и подвижность ионов в коже, что в конечном итоге обеспечивает синхронный оптический и электрический отклик двойного сигнала.
Благодаря содержащемуся в ней моноглицеридному лаурату фотонно-ионная кожа способна убивать почти все грамположительные бактерии и грибки, что особенно ценно для разработки протезов и других медицинских технологий. Наконец, PEG200, введенный в кожу, имеет низкую температуру замерзания, что делает ее удивительно устойчивой к низким температурам (т. е. снижает риск замерзания или высыхания), а также сохраняет двойной выходной сигнал в суровых условиях.
«Вдохновленные меняющей цвет кожей кальмара, мы внедрили фотонные наноструктуры в электронную кожу, значительно обогатив ее сенсорные возможности», — сказал доктор Ниу. «Помимо предоставления количественной обратной связи, записи и анализа изменений возбуждения с помощью электрического сигнала, более сложная информация, такая как местоположение, форма и распределение возбуждения, также может быть визуально идентифицирована по его цвету».
В первоначальных оценках искусственная кожа, созданная доктором Ниу и его коллегами, дала весьма многообещающие результаты. Исследователи обнаружили, что синхронный вывод двух сигналов позволяет ей различать даже различные внешние и тактильные раздражители. В будущем ее можно будет использовать для расширения возможностей широкого спектра устройств, включая носимые устройства, мягких роботов, электронные протезы конечностей и интерфейсы для взаимодействия человека с компьютером.
«Существует много интересных видов животных с такой способностью менять цвет», — добавил доктор Ниу. «В наших следующих работах мы продолжим изучение биологической структуры видов, отличных от кальмаров, и разработаем соответствующую биомиметическую кожу. В конечном итоге их можно будет использовать в носимых устройствах, интерактивном зондировании и других реальных приложениях».