Механорецепторы в коже человека способны ощущать нежный вес бабочки, ощущать жар близлежащего пламени или прохладного напитка, понимать, поднята ли рука в кулаке или в знак мира, и нежным прикосновением подсчитывать пульс близкого человека. трогать. Инженерам, стремящимся создать искусственную электронную кожу, до сих пор удавалось создавать мягкие, гибкие материалы, имитирующие каждое из этих замечательных чувств, но они никогда не создавали ни единого листа из подобных коже материалов, которые могли бы напрямую общаться с мозгом — до сих пор.
В то время как предыдущие усилия требовали жесткой электроники для преобразования воспринятого сигнала в электрические импульсы, которые может считывать мозг, исследователи из Стэнфордского университета создали мягкие интегральные схемы, которые преобразуют воспринятое давление или температуру в электрические сигналы, подобные нервным импульсам, для связи с мозгом. Исследователи надеются, что когда-нибудь эти сигналы могут быть направлены на имплантированные чипы беспроводной связи в периферический нерв, чтобы позволить людям с ампутированными конечностями управлять протезами. Другие потенциальные области применения могут включать имплантируемые или носимые медицинские устройства нового века.
«Мы уже какое-то время работаем над монолитной электронной кожей. Трудность заключалась не столько в том, чтобы найти механизмы, имитирующие замечательные сенсорные способности человеческого прикосновения, сколько в том, чтобы объединить их, используя только материалы, похожие на кожу», — сказал Чжэнань Бао , К. К. Ли, профессор химического машиностроения и старший автор исследования, опубликованного в журнале Science.
«Большая часть этой задачи сводилась к усовершенствованию электронных материалов , подобных коже , чтобы их можно было включать в интегральные схемы с достаточной сложностью для генерации нервных импульсов и достаточно низким рабочим напряжением для безопасного использования на человеческом теле», — сказал он. Weichen Wang, докторант лаборатории Бао, первый автор статьи. Ван работал над этим прототипом 3 года.
Слои технологий
Целью была мягкая интегральная схема, которая могла бы имитировать механизм сенсорных рецепторов и эффективно работать при низком напряжении. К сожалению, первые попытки Вана требовали более 30 вольт и не могли реализовать достаточную функциональность схемы. «Эта новая электронная кожа работает всего от 5 вольт и может обнаруживать стимулы, похожие на настоящую кожу», — сказал он.
Искусственная кожа будет иметь решающее значение для протезов конечностей нового века, которые не только восстанавливают движение и функции, такие как хватание, но и обеспечивают сенсорную обратную связь (проприоцепцию), которая помогает пользователю точно управлять устройством. Мало того, сам материал сенсорной кожи должен обязательно растягиваться и возвращаться снова и снова, никогда не теряя при этом своих нервных электрических характеристик.
Команда изобрела трехслойную диэлектрическую структуру, которая помогла увеличить подвижность носителей электрического заряда в 30 раз по сравнению с однослойными диэлектриками, что позволило схемам работать при низком напряжении. Интересно, что один из слоев трехслойной ткани — нитрил, тот же каучук, который используется в хирургических перчатках. Большая часть электронной кожи состоит из множества слоев материалов, похожих на кожу. В каждый слой интегрированы сети органических наноструктур, которые передают электрические сигналы даже при растяжении. Эти сети могут быть спроектированы таким образом, чтобы измерять давление, температуру, деформацию и химические вещества.
Каждый сенсорный вход имеет свою собственную интегральную схему. Затем все различные сенсорные слои должны быть сжаты вместе в единый монолитный материал, который не расслаивается, не рвется и не теряет электрических функций.
Каждый электронный слой имеет толщину всего от нескольких десятков до сотен нанометров, а готовый материал из полдюжины или около того слоев имеет толщину менее микрона.
«Но на самом деле он слишком тонкий, чтобы с ним было легко обращаться, поэтому мы используем подложку для его поддержки, что делает нашу электронную кожу толщиной примерно 25–50 микрон — примерно толщиной листа бумаги», — сказал Бао. «Он находится в том же диапазоне толщины, что и внешний слой кожи человека».
Достижения следующего поколения
Эта система является первой, сочетающей чувствительность и все желаемые электрические и механические характеристики человеческой кожи в мягкой, прочной форме, которую можно использовать в протезах кожи следующего поколения и инновационных человеко-машинных интерфейсах, обеспечивающих осязание, подобное человеческому.
Их прототип завершен, Бао, Ван и команда теперь приступают к усложнению и масштабируемости своей технологии, добавляя беспроводные функции и способы взаимодействия с мозгом и периферийными частями тела.