Учёные научили электронную кожу самостоятельно заживлять повреждения
Исследователи из Национального университета Сингапура разработали электронную кожу нового поколения, способную распознавать прикосновения, обнаруживать собственные повреждения и самостоятельно восстанавливаться даже под водой. По словам авторов работы, новая технология может значительно повысить надёжность подводных роботов, носимой электроники, протезов и других устройств, работающих в сложных условиях.
Разработка получила название SMES (Self-Healing Magnetoelectric Sensory System). Она объединяет сразу несколько функций: не требует внешнего источника питания, распознаёт прикосновения и приближение объектов, самостоятельно обнаруживает повреждения и восстанавливает свою работоспособность как на воздухе, так и под водой.
Подводная среда считается одной из самых сложных для работы электронных устройств. Дайверы и подводные роботы используют различные датчики для навигации, связи и управления объектами, однако традиционные сенсоры легко повреждаются, зависят от батарей и после прокола или разреза практически перестают работать.
Команда под руководством доцента Тана Ю Цзюня решила эту проблему, создав материал, вдохновлённый свойствами человеческой кожи. Он способен ощущать не только прикосновения, но и повреждения, а затем самостоятельно «залечивать» их.
Электронная кожа состоит из нескольких слоёв. Верхний слой отвечает за обнаружение повреждений, а под ним расположен магнитоэлектрический сенсорный слой. Оба изготовлены из эластичного самовосстанавливающегося полимера с проводниками из жидкого металла.
Если поверхность проколоть, поцарапать или разрезать, электрическое сопротивление верхнего слоя резко возрастает. Таким образом система фиксирует повреждение почти так же, как живая кожа воспринимает боль.
Самовосстановление происходит благодаря обратимым молекулярным связям внутри материала. Когда повреждённые поверхности снова соприкасаются, молекулы соединяются между собой, постепенно восстанавливая целостность материала.
После проколов иглой сенсор возвращает первоначальные электрические характеристики всего за несколько секунд без какого-либо внешнего вмешательства. Если повреждение более серьёзное, например глубокий разрез, достаточно кратковременно сжать материал, после чего начинается восстановление, а полная работоспособность возвращается спустя некоторое время.
Испытания показали, что материал восстанавливает до 92% своей первоначальной эластичности. При небольшом нагреве эффективность восстановления достигает около 82% в воздухе спустя семь суток и почти 100% после десяти дней нахождения под водой.
Особенно важно, что электронная кожа сохраняет способность обнаруживать повреждения и восстанавливаться даже при полном погружении в воду. Для большинства подобных материалов именно подводные условия становятся главным препятствием для эффективного восстановления.
По словам Тана Ю Цзюня, в человеческом организме боль служит защитным сигналом, предупреждающим о повреждении. Новая электронная кожа получила аналогичную функцию, позволяя электронным устройствам самостоятельно обнаруживать повреждения и запускать процесс восстановления.
Ещё одной особенностью разработки стало отсутствие необходимости во внешнем источнике питания. Сенсор самостоятельно вырабатывает электрический сигнал благодаря электромагнитной индукции — тому же физическому принципу, который используется в генераторах и трансформаторах.
Внутри устройства расположены небольшой магнит и катушка из жидкометаллического проводника. Когда к поверхности прикасаются или рядом появляется объект, магнит смещается относительно катушки, что вызывает изменение магнитного поля и появление электрического напряжения.
Это позволяет одновременно определять как непосредственное прикосновение, так и приближение объектов без физического контакта. Подобная конструкция особенно полезна для подводной техники, где замена или подзарядка аккумуляторов значительно осложнена.
В ходе испытаний сенсор реагировал примерно за 41 миллисекунду, что примерно в десять раз быстрее среднего человеческого моргания. Кроме того, устройство сохранило стабильную работу после 10 тысяч циклов эксплуатации, а его характеристики практически не изменились после десяти суток пребывания в воде, включая искусственную морскую воду.
Для демонстрации возможностей технологии исследователи создали два прототипа. Первый представляет собой умную перчатку для дайверов, которая позволяет передавать сообщения с помощью жестов рук.
Каждый палец оснащён сенсором, формирующим уникальный электрический сигнал для определённого жеста. Затем информация передаётся по Bluetooth на смартфон. Система распознаёт команды «Норма», «Поднимаюсь», «Опускаюсь», «Удерживаю» и «Нужна помощь». Если датчик обнаруживает серьёзное повреждение, на перчатке автоматически загораются красные светодиоды.
Вторым прототипом стала роботизированная рука, оснащённая новой электронной кожей. Во время испытаний она успешно захватывала и переносила предметы под водой, одновременно обнаруживая повреждения, возникавшие при контакте с острыми раковинами, и самостоятельно восстанавливая работоспособность.
Разработчики рассчитывают интегрировать новую технологию в промышленных роботов, бионические протезы и носимую электронику. По их словам, конечной целью является создание мягких роботизированных систем, которые смогут самостоятельно ощущать окружающую среду, определять повреждения и восстанавливать свои функции подобно живой коже.
Исследование в журнале Advanced Materials.