Сингапурские исследователи создали биомиметический материал из высокоэластичного полимера, имитирующий человеческую кожу. Он способен автономно самовосстанавливаться при механическом повреждении, имитировать осязание и определять приближение объектов.  

Способность человеческой кожи реагировать на механическое воздействие обусловлена работой тактильных механорецепторов. Они собирают данные о давлении, растяжении и вибрациях, воздействующих на кожу, путём преобразования стимулов из внешней среды в нервные импульсы. Исследователи в области робототехники тщательно изучают процессы образования этих импульсов, чтобы воспроизвести их при производстве роботизированных протезов и промышленных роботов. 

К настоящему моменту есть множество разработок, способных имитировать часть функций человеческой кожи. Например, в 2018 году швейцарские учёные разработали высокоэластичную ткань. В неё можно встраивать электроды, реагирующие на механические воздействия. В 2019 году исследователи использовали масштабную систему сенсоров, чтобы робот не раздавил человека в объятиях. В прошлом году американские исследователи создали систему мягких датчиков на основе силикона. Существуют также разработки на основе гидрогеля, пектиновых плёнок и других материалов. 

Сингапурские исследователи решили пойти дальше и сделать материал, способный не только воссоздать работу тактильных механорецепторов, но и самовосстанавливаться после механических повреждений. 

Для производства материала исследователи сначала высушили фтористые ПАВ (Fluorosurfactant, Zonyl FS-300) при температуре 70 °C. После растворили два грамма поливинилиденфторида (PVDF-HFP) в ацетоне и размешивали в течение как минимум четырёх часов. В раствор добавили 1,7 мл фтористых ПАВ и перемешивали ещё сутки. 0,046 мл 1,3-диаминопропана (DAP) капельно замешивали в раствор, в результате чего через полчаса он стал жёлтым. Далее исследователи добавили микрочастицы никеля (µNi) и смешали раствор во FlackTek при 2,5 тысячах оборотов в минуту в течение 2,5 минут. Смесь отлили в стеклянную форму 2,5 × 5 × 0,2 см (ширина × длина × высота). Материал нагревали на плите при температуре 70 °C до самовспенивания путём испарения ацетона (около 30 минут). Для сшивания полимера материал нагревали при температуре 120 °C в течение получаса.

Слева изображена схема биомиметического материала AiFoam. Полимерные цепи (синие) сшиты DAP (чёрные), образующим основу из низкомодульного эластомера. Частицы микроникеля (μNi, серый) смешиваются с эластомером и образуют вспененный биомиметический материал. Диоль-дипольное взаимодействие между полимерными цепями и молекулами поверхностно-активного вещества задерживают вещество на поверхности и позволяют материалу самовосстанавливаться. Справа отображена схема датчика AiFoam, имитирующего соматосенсорную систему иннервации кожи человека (вверху). 
Слева изображена схема биомиметического материала AiFoam. Полимерные цепи (синие) сшиты DAP (чёрные), образующим основу из низкомодульного эластомера. Частицы микроникеля (μNi, серый) смешиваются с эластомером и образуют вспененный биомиметический материал. Диоль-дипольное взаимодействие между полимерными цепями и молекулами поверхностно-активного вещества задерживают вещество на поверхности и позволяют материалу самовосстанавливаться. Справа отображена схема датчика AiFoam, имитирующего соматосенсорную систему иннервации кожи человека (вверху). 

Исследователи разрезали материал на кубики (1см2) и встроили в него трёхмерные электроды радиусом 75 мкм, припаянные к гибкой микросхеме. При приложении силы материал сжимается, что приводит к изменению формы электродов и измеримому изменению электрического импеданса. Полученный датчик определял направление и распределение силы путём обработки сигналов от электродов, показавших наибольшее изменение сопротивления по отношению к остальным электродам. Кроме того, фтористые ПАВ и частицы µNi обладают высокой диэлектрической проницаемостью, благодаря чему материал может работать как датчик приближения. 

Изображение AiFoam, сделанное при помощи электронной микроскопии. Слева направо: материал в исходном состоянии, при нагрузке с нормальной силой, при боковой нагрузке. Пунктиром выделено положение трёхмерного электрода. Стрелки обозначают направление приложенной силы. Шкала 200 мкм.  
Изображение AiFoam, сделанное при помощи электронной микроскопии. Слева направо: материал в исходном состоянии, при нагрузке с нормальной силой, при боковой нагрузке. Пунктиром выделено положение трёхмерного электрода. Стрелки обозначают направление приложенной силы. Шкала 200 мкм.  

Во время испытаний материал продемонстрировал самовосстанавливающиеся свойства. Сопротивление AiFoam и его чувствительность к давлению полностью восстановились при температуре 70 °C в течение четырёх дней после повреждения. Также материал может растягиваться по длине на 230 % и на 180 % у образцов со сросшимися повреждениями. 

Полученные датчики исследователи испытали на роботизированной руке. Как и ожидали учёные, рука смогла определить приближение человеческого пальца, рассчитать приложенную силу и определить её направление. Благодаря этому исследователи повысили точность и плавность движений роботизированной руки.  

На данный момент авторы исследования ведут переговоры с несколькими компаниями по производству робототехники. Они рассчитывают внедрить технологию в промышленное производство в течение пяти лет.

Материалы исследования опубликованы в статье «Artificially innervated self-healing foams as synthetic piezo-impedance sensor skins» в журнале Nature Communications DOI: 10.1038/s41467-020-19531-0.

Источник: Habr

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии

Похожие записи: