Wyobraź sobie, że porusza się po wirtualnej rzeczywistości z soczewkami kontaktowymi lub obsługę smartfona pod wodą: to i więcej może wkrótce być rzeczywistością dzięki innowacyjnym e-skinom. Zespół badawczy prowadzony przez Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) opracował elektroniczną skórę, która wykrywa i precyzyjnie śledzi pola magnetyczne za pomocą jednego globalnego czujnika. Ta sztuczna skóra jest nie tylko lekka, przezroczysta i przepuszczalna, ale także naśladuje interakcje prawdziwej skóry i mózgu, jak donosi zespół w czasopiśmie Nature Communications.
Pierwotnie opracowane dla robotyki, e-skóry naśladują właściwości prawdziwej skóry. Mogą dać robotom poczucie dotyku lub zastąpić utracone zmysły u ludzi. Niektóre mogą nawet wykrywać substancje chemiczne lub pola magnetyczne. Ale technologia ma również swoje granice. Bardzo funkcjonalne e-skóry są często niepraktyczne, ponieważ polegają na rozległej elektronice i dużych akumulatorach. „Wcześniejsze technologie wykorzystały wiele indywidualnych czujników i tranzystorów do lokalizacji źródeł pola magnetycznego, podobnego do czujników dotykowych na wyświetlaczu smartfonów. Naszym pomysłem było opracowanie bardziej energooszczędnego systemu, który jest bardziej podobny do naszej miękkiej ludzkiej skóry, a tym samym lepiej dla ludzi”, mówi Denys Makarov z Instytutu Fizyki Belki Ionowej w HZDR.
Lżejsze, bardziej elastyczne, mądrzejsze
W związku z tym naukowcy zastąpili sztywne, nieporęczne substraty, które zwykle organizują elektronikę z cienką, lekką i elastyczną membraną, która ma zaledwie kilka mikrometrów grubości. Cała membrana jest optycznie przezroczysta i perforowana, dzięki czemu sztuczna skóra jest przepuszczalna dla powietrza i wilgoci, umożliwiając oddychanie prawdziwej skóry.
Jednak taka ultracienna membrana może pomieścić ograniczoną liczbę elementów elektronicznych. Właśnie dlatego nowe e-skiny mają magnetosensatyczną warstwę funkcjonalną, która działa jak globalna powierzchnia czujnika, która precyzyjnie lokalizuje pochodzenie sygnałów magnetycznych. Ponieważ pola magnetyczne zmieniają oporność elektryczną materiału, centralna jednostka analizy jest w stanie obliczyć lokalizację sygnału na podstawie tych zmian. To nie tylko naśladuje funkcjonowanie prawdziwej skóry, ale także oszczędza energię.
Sztuczna skóra dla prawie ludzkiego doświadczenia sensorycznego
„Tak duże magnetosensatyczne skórki są nowością”-mówi dr Pavlo Makushko w HZDR i pierwszy autor badania. „Koncepcyjnie, e-skóry działają teraz bardziej jak ludzkie ciało. Bez względu na to, gdzie dotykam prawdziwej skóry, sygnał zawsze podróżuje przez nerwy do mózgu, który przetwarza sygnał i rejestruje punkt kontaktowy. Nasze e-skiny mają również pojedynczą globalną powierzchnię czujnika-podobnie jak nasza skóra. I jedna jednostka przetwarzania centralnego przetwarzania, odbudowuje sygnał-podobnie jak nasz mózg.
Jest to możliwe dzięki tomografii, metodzie, która jest również stosowana do medycznego MRI lub CT. Rekonstruuje położenie sygnału z dużej liczby poszczególnych obrazów. Ta technologia jest nowa w przypadku e-skinów z czujnikami pola magnetycznego-wcześniej była uważana za zbyt niewrażliwość dla niskiego kontrastu sygnałowego konwencjonalnych materiałów magnetosyzyjnych. Fakt, że eksperymentalnie zatwierdzaliśmy tę metodę, jest głównym osiągnięciem technicznym pracy, jak podkreśla Makushko.
Doświadczanie naszego środowiska poprzez magnetyzm
Nowe e-skórę płynnie śledzą ścieżki sygnałowe, umożliwiając aplikacje rozpoznawane przez cyfrowe wzorce, napisane przez styl magnetyczny, bezdotykowe interakcje w rzeczywistości wirtualnej lub prowadzenie smartfona w ekstremalnych środowiskach, nawet podczas nurkowania. Często noszący magnetorecepcyjną sztuczną skórę nie jest człowiekiem, ale maszyną.
Jednocześnie czujniki pola magnetycznego są mniej podatne na zakłócenia niż konwencjonalna elektronika. Systemy robotyczne mogą ich wykorzystać do wykrywania ruchów, nawet w złożonych środowiskach, w których inne metody zawodzą. Zimą użytkownicy mogli obsługiwać smartfon wyposażony w optycznie przezroczyste czujniki magnetyczne za pośrednictwem magnetycznej łatki na opuszczeniu rękawicy bez zakłóceń elektroniki zewnętrznej. Magnetoreception nie działa jako kompas, ale oferuje unikalny kanał komunikacyjny między ludźmi i maszynami.