Новый датчик размером со скрепку наделил роботов тактильной чувствительностью, вдвое превосходящей существующие аналоги
Исследователи из Университета штата Пенсильвания (Penn State University) разработали новый датчик давления, который способен решить одну из ключевых проблем робототехники — сложность осязания. В то время как современные роботы успешно имитируют зрение и движение, тактильные ощущения остаются для них серьезным вызовом. Разрыв между тем, как человек и машина чувствуют прикосновение, долгое время сдерживал развитие протезирования, хирургических роботов и других областей, требующих тонкого манипулирования объектами.
Созданный учеными сенсор превосходит традиционные аналоги практически по всем параметрам. В его основе лежит восстановленный оксидом графена аэрогель (rGOA) — легкий и богатый кислородом материал, которому с помощью литья под давлением придается специфическая структура. Этот процесс превращает смесь жидкостей и твердых веществ в материал, обладающий анизотропными свойствами, то есть разной прочностью в разных направлениях. Благодаря такой архитектуре датчик демонстрирует высокую чувствительность, способность воспринимать широкий диапазон давлений и сохранять стабильность характеристик с течением времени, что ранее было трудно достижимо в одном устройстве.
Размер каждого сенсора составляет всего 8 миллиметров в ширину, что не превышает размеры канцелярской скрепки. Несмотря на миниатюрность, он способен выдерживать нагрузку около 85 граммов и сохранять работоспособность более 20 000 циклов использования без потери производительности. Конструктивно датчик выполнен в виде слоеной структуры, где аэрогель помещен между пластикоподобной пленкой с электродами из серебряных чернил и тонким слоем силикона. Такая компоновка обеспечивает стабильность электрического контакта, механическую прочность и гибкость, позволяя размещать устройство на изогнутых или неровных поверхностях.
Испытания показали, что новая разработка почти в два раза чувствительнее традиционных датчиков. Время реакции на изменение давления составляет чуть более 100 миллисекунд, а время восстановления — 40 миллисекунд, что позволяет завершить полный цикл менее чем за 150 миллисекунд. Для сравнения, стандартным сенсорам на выполнение того же процесса требуется более 250 миллисекунд, что критически важно для задач, требующих быстрой обратной связи, таких как захват объектов роботизированной рукой.
Наибольший потенциал датчики раскрывают при объединении в массивы (сетки) с использованием микроконтроллера. Такая система позволяет собирать и отображать данные о давлении в реальном времени, точно показывая, где и с какой силой приложено усилие к поверхности. В ходе экспериментов система продемонстрировала способность распознавать форму объектов, различать продукты по весу и текстуре, отслеживать движения руки по беспроводной связи, а также контролировать силу захвата, чтобы не повредить хрупкие предметы, такие как тофу, вата и паровые булочки.
Помимо робототехники, исследователи нашли для своего изобретения еще одно важное применение — мониторинг состояния аккумуляторов электромобилей. Датчик способен выявлять ранние признаки вздутия литий-ионных батарей, которое может привести к повреждению элементов, перегреву или даже возгоранию. Поскольку устройство эффективно фиксирует незначительные изменения давления даже на сложных поверхностях, оно идеально подходит для отслеживания здоровья батареи и предотвращения опасных ситуаций.
Разработчики уже подали предварительную патентную заявку и намерены продолжать совершенствовать технологию для ее коммерциализации. В планах команды — сделать датчики еще меньше и легче для использования в имплантатах или носимых устройствах, добавить функции измерения температуры и деформации, а также создать массивы, способные одновременно фиксировать легчайшие прикосновения на одном участке и выдерживать высокое давление на другом. Научная работа была в журнале Nano-Micro Letters.