В рамках научно-технологической программы «Большие вызовы» участники направления «Новые материалы и нанотехнологии» включились в проект по созданию электронной кожи — ультратонкого чувствительного покрытия, которое может использоваться в робототехнике и протезировании. Это достигается с помощью особых датчиков, которые позволяют бионическим протезам чувствовать прикосновения так же, как это делает человеческая кожа. Под руководством научного сотрудника НОЦ «Умные материалы и биомедицинские приложения» БФУ им. И. Канта Петра Ершова школьники синтезировали полимерные композиты с магнитными частицами, которые обеспечивают эту чувствительность и гибкость. В перспективе созданные материалы способны не только восстановить утраченную кожную чувствительность у людей с протезами, но и наделить роботов способностью к реалистичному тактильному восприятию окружающего мира, сообщает пресс-служба образовательного центра «Сириус».
Электронная кожа должна быть не только мягкой и гибкой, как настоящая, но и уметь распознавать прикосновения, передавая данные о силе нажатия. Команда проекта работает над тем, чтобы разработать особый композитный материал, в котором сочетаются полимеры и специальные магнитные частицы — микросферы железа и нанопризмы гексаферрита стронция. Они усиливают пьезоэффект, то есть возникновение электрического напряжения при деформации, благодаря чему кожа «чувствует» прикосновение.
«Наша цель — получить чувствительный материал, который можно будет использовать, например, на протезе руки. Он будет не только ощущать прикосновение, но и восприниматься на ощупь как настоящая кожа — не холодная и жесткая, как металл, а гибкая и упругая, похожая на настоящую», — поясняет руководитель проекта, научный сотрудник БФУ им. И. Канта Петр Ершов.
В ходе экспериментов школьники на программе создавали полимерные пленки, добавляя в них специальные магнитные частицы. Они тщательно подбирали подходящие растворители и контролировали вязкость раствора, чтобы достичь нужных характеристик материала. Каждый такой образец проходит детальный комплексный анализ. Полученные образцы имеют толщину от 100 микрон до 1 мм и способны улавливать даже небольшие физические воздействия.
«В ходе работы нам нужно было также выяснить, влияет ли форма и размер частиц на чувствительность материала. Было замечено, что с добавлением наноразмерных призм чувствительность растет», — рассказывает Петр Ершов.
Работа школьников включала как синтез материалов, так и последующий анализ их структуры и свойств. Участники изучали полученные образцы на микроскопах, оценивали механические и электрические параметры, проводили рамановскую спектроскопию, исследуя фазовый состав материала.
«Раньше я уже работала с необычными материалами, например с теми, которые состоят из оксидов металлов, а на этом проекте впервые изучаю полимеры. Очень интересный опыт — синтезировать пленки, своими руками создавать композиты, анализировать, как влияет добавление тех или иных частиц. Мы даже проводили сравнение растворителей и сами оптимизировали протокол. И все это в команде — раньше я всегда делала проекты одна», — рассказывает участница проекта София Федорова из Томска.
«Мы даже сами сделали установку для измерения пьезоэлектрических свойств. Придумали и собрали ее, а потом написали код, чтобы снимать с нее данные. Мне очень нравится работать руками, ставить эксперименты и видеть результат. Особенно когда понимаешь, что это — реальное исследование, а не просто учебная задача», — говорит Мария Мулина из Екатеринбурга.
Проект решает сразу несколько научных задач, включая исследование влияния размера и формы частиц на чувствительность искусственной кожи, а также определение комбинации компонентов, обеспечивающей наилучший отклик. Все эти данные школьники зафиксировали в протоколах, чтобы затем подготовить полноценную научную публикацию. Полученные на проекте материалы станут частью масштабного проекта по созданию гибких сенсоров и искусственной кожи для протезирования и робототехники.
Мероприятия проводится в рамках Десятилетия науки и технологий в России.
Текст и фото: пресс-служба образовательного центра «Сириус»