Ученые из Пекинского института наноэнергетики и Университета Цинхуа создали мультирецепторную кожу, вдохновленную уникальными сенсорными способностями утконоса — интересного животного, которое сочетает в себе черты утки, бобра и выдры. Эта кожа не просто повторяет природные механизмы, но и открывает новые возможности для робототехники и протезирования.
Сенсорные системы, используемые в современных биотехнологиях, часто не могут соперничать с природными аналогами. Утконос, например, использует свою уникальную двойную сенсорную систему, чтобы обнаруживать добычу и избегать угроз. Исследователи, вдохновленные этим удивительным животным, решили воспроизвести его способности в искусственной коже.
Ведущий автор исследования, Ди Вэй, поделился, что его интерес к утконосу возник благодаря разговору с дочерью. Она рассказала о документальном фильме, который посмотрела, и задалась вопросом о сенсорных способностях этого необычного млекопитающего. Этот разговор стал отправной точкой для дальнейшего изучения и, в конечном итоге, для разработки новой технологии.
Мультирецепторная кожа, представленная в журнале Science Advances, сочетает в себе механорецепцию и электрорецепцию. Это позволяет системе улавливать как физические, так и электрические изменения в окружающей среде. Такой подход значительно расширяет возможности взаимодействия роботов с миром, позволяя им реагировать на разнообразные стимулы, не полагаясь исключительно на зрение или тактильные ощущения.
Кожа, созданная исследователями, использует два ключевых принципа: контактную электризацию и электростатическую индукцию. При контакте с другим материалом происходит передача электронов, что генерирует трибоэлектрическое электричество. Это позволяет коже чувствовать прикосновения. Для обнаружения объектов на расстоянии система полагается на электростатическую индукцию, усиливающую диэлектрическую поляризацию.
Конструкция кожи включает тонкие пленки ПТФЭ и ПДМС, а также неорганические наночастицы, которые улучшают диэлектрические свойства. Серебряные нанопроволоки функционируют как электроды, обеспечивая гибкость и защиту. Этот многоуровневый подход позволяет системе точно определять объекты и собирать информацию о них с высокой чувствительностью.
Разработка Вэя и его команды обеспечивает точную идентификацию материалов с точностью 99,56% и эффективное обнаружение удаленных объектов. В отличие от традиционных сенсорных систем, которые часто сталкиваются с трудностями в изменяющихся условиях, мультирецепторная кожа демонстрирует стабильность и надежность в динамичной среде.
Уникальная структура этой кожи позволяет ей имитировать электрорецепцию и механорецепцию утконоса, что значительно повышает ее чувствительность. Вэй отметил, что они полностью воспроизвели механизм, который позволяет утконосу обнаруживать объекты, даже не полагаясь на зрение.
Эта бионическая кожа может найти применение в различных областях, от мониторинга окружающей среды до взаимодействия человека с машинами. Вэй и его коллеги уверены, что их разработка станет важным шагом вперед в мультимодальном распознавании, устраняя ограничения традиционных бесконтактных датчиков.
Ученые планируют продолжить работу над этой технологией, стремясь улучшить адаптивность и надежность системы в экстремальных условиях. Они также намерены интегрировать искусственный интеллект для повышения диапазона и точности обнаружения электрических полей.
