Rozwój elektronicznej skóry z wieloma zmysłami jest niezbędny w różnych dziedzinach, w tym w rehabilitacji, opiece zdrowotnej, protezach kończyn i robotyce. Jednym z kluczowych elementów tej technologii są rozciągliwe czujniki nacisku, które mogą wykrywać różne rodzaje dotyku i nacisku. Niedawno wspólny zespół naukowców z POSTECH i University of Ulsan w Korei dokonał ostatnio znaczącego przełomu, pomyślnie tworząc wszechkierunkowo rozciągliwe czujniki nacisku inspirowane skórą krokodyla.
Zespołem badawczym kierowali profesor Kilwon Cho, dr Giwon Lee i dr Jonghyun Son z Wydziału Inżynierii Chemicznej POSTECH wraz z zespołem kierowanym przez profesora Seung Goo Lee z Wydziału Chemii Uniwersytetu im. Ulsan. Czerpali inspirację z unikalnego narządu czuciowego skóry krokodyla i opracowali czujniki ciśnienia z mikrokopułami i pomarszczonymi powierzchniami. W rezultacie powstał wszechkierunkowo rozciągliwy czujnik ciśnienia.
Krokodyle, budzące grozę drapieżniki, które spędzają większość czasu zanurzone pod wodą, mają niezwykłą zdolność wyczuwania małych fal i wykrywania kierunku swojej ofiary. Zdolność ta jest możliwa dzięki niezwykle wyrafinowanemu i wrażliwemu narządowi zmysłu znajdującemu się na ich skórze. Narząd składa się z półkulistych guzków czuciowych, które są ułożone w powtarzający się wzór z pomarszczonymi zawiasami między nimi. Kiedy krokodyl porusza swoim ciałem, zawiasy odkształcają się, podczas gdy część czuciowa pozostaje nienaruszona przez mechaniczne odkształcenia, umożliwiając krokodylowi zachowanie wyjątkowego poziomu wrażliwości na bodźce zewnętrzne podczas pływania lub polowania pod wodą.
Zespołowi badawczemu udało się naśladować strukturę i funkcję narządu czuciowego krokodyla, aby opracować wysoce rozciągliwy czujnik nacisku. Poprzez wynalezienie półkulistego elastomerowego polimeru z delikatnymi fałdami, zawierającego długie lub krótkie nanoprzewody, stworzyli urządzenie, które przewyższa dostępne obecnie czujniki ciśnienia. Podczas gdy inne czujniki tracą czułość pod wpływem mechanicznych odkształceń, ten nowy czujnik zachowuje swoją czułość nawet po rozciągnięciu w jednym lub dwóch różnych kierunkach.
Dzięki drobno pomarszczonej strukturze na swojej powierzchni, czujnik zachowuje wysoką czułość na nacisk nawet w przypadku znacznego odkształcenia. Po przyłożeniu zewnętrznej siły mechanicznej pomarszczona struktura rozwija się, zmniejszając nacisk na półkulisty obszar wykrywania, który jest odpowiedzialny za wykrywanie przyłożonego nacisku. Ta redukcja naprężeń umożliwia czujnikowi zachowanie czułości na nacisk nawet w przypadku odkształceń. Dzięki temu nowy czujnik wykazuje wyjątkową czułość na nacisk, nawet przy rozciągnięciu do 100% w jednym kierunku i 50% w dwóch różnych kierunkach.
Zespół badawczy opracował rozciągliwy czujnik ciśnienia odpowiedni dla szerokiej gamy urządzeń do noszenia o różnych zastosowaniach. Aby ocenić jego działanie, naukowcy zamontowali czujnik na plastikowym krokodylu i zanurzyli go w wodzie. Co ciekawe, zamontowany czujnik był w stanie wykryć małe fale wody, z powodzeniem replikując możliwości sensoryczne narządu czuciowego krokodyla.
„Jest to nadający się do noszenia czujnik ciśnienia, który skutecznie wykrywa nacisk nawet przy naprężeniu rozciągającym” – wyjaśnił profesor Cho, który kierował zespołem. Dodał: „Może być używany do różnych zastosowań, takich jak czujniki ciśnienia w protetyce, elektroniczna skóra miękkiej robotyki, VR, AR i interfejsy człowiek-maszyna”.
Badanie zostało przeprowadzone przy wsparciu Koreańskiej Narodowej Fundacji Badawczej w ramach Ministerstwa Nauki i ICT oraz programu Kluczowe instytuty badawcze na uniwersytetach w ramach Ministerstwa Edukacji. Artykuł przedstawiający wyniki badań znalazł się na okładce Small.