Исследовательская группа из Хемница и Дрездена разработала чувствительную электронную кожу (e-skin) со встроенными искусственными волосами. Они попытались сымитировать чувствительность естественной кожи человека. Крошечные волоски смогли воспринимать и предвосхищать малейшие тактильные ощущения на коже человека и даже распознавать направление прикосновения. Такую кожу можно применять как в медицинских датчиках на теле, так и при создании человекоподобных роботов. А) Концепты устройств умной кожи. B) Иллюстрация процесса самоскладывания микро-оригами. С) Компоновка самоскладывающейся платформы. D) Один пиксель в датчике 3D. Исследовательская группа под руководством профессора доктора Оливера Г. Шмидта, руководителя кафедры материальных систем для наноэлектроники, а также научного директора Исследовательского центра материалов, архитектур и интеграции наномембран (MAIN) в Хемницком технологическом университете, исследовала новый путь разработки чрезвычайно чувствительных и зависящих от направления 3D-датчиков магнитного поля, которые можно интегрировать в систему электронной кожи. Команда использовала новый подход к миниатюризации и интеграции массивов 3D-устройств. А) Фотография устройства с матрицей 8×8 пикселей. B) Изображение массива пикселей в устройстве. C и D) Покомпонентная схема и принципиальная схема одного пикселя, содержащего три субпикселя. E) Типичные передаточные характеристики с VGS от -2 В до 3,3 В для транзисторов a-IGZO TFT. F) Статистика подвижности µ. Гистограмма µ для 100 a-IGZO TFT. Среднее значение µ составляет (12,51 ± 1,32) см2 В−1 с−1. G) Схематическое изображение набора слоев датчиков AMR. H) Типичные отклики датчиков SXY, SXZ и SYZ. На левой вставке показан угол 45° между током смещения и направлением намагниченности. Правая вставка показывает ориентацию направлений чувствительности SXY, SXZ и SYZ. I) Гистограммы чувствительности для работающих датчиков в плоскостях XY, XZ, YZ в типовом массиве датчиков 8×8. Кристиан Беккер, доктор философии и студент исследовательской группы профессора Шмидта, говорит , что «подход позволяет обеспечить точное пространственное расположение функциональных сенсорных элементов в 3D, которые могут производиться серийно». Ядром сенсорной системы, представленной исследовательской группой, является датчик так называемого анизотропного магнитосопротивления (AMR). Датчик AMR можно использовать для точного определения изменений магнитных полей. Они в настоящее время уже применяются, например, в качестве датчиков скорости в автомобилях или для определения положения и угла движущихся компонентов в различных машинах. А) Изображение устройства вместе с небольшим постоянным магнитом NdFeB. В) Результат моделирования магнитных векторов в местах расположения 8×8 пикселей сенсора. С-Е) Статическое картирование напряженности магнитного поля рассеяния с помощью массивов датчиков SXY, SXZ и SYZ в плоскостях XY, XZ и YZ соответственно. Верхняя панель — результат эксперимента, а нижняя панель — результаты моделирования. F) Результат моделирования динамических откликов SXY, SXZ и SYZ в одном пикселе на линейное движение магнита. Пунктирные линии — результаты измерений, а сплошные линии — результат моделирования. G) Динамическая реакция напряжения на линейное движение постоянного магнита NdFeB, контролируемая одним пикселем. H) Динамическое отслеживание вращения постоянного магнита NdFeB по одному пикселю. Выходные напряжения для SXY, SXZ и SYZ периодически изменяются с постоянными величинами, что подчеркивает стабильность датчиков. Чтобы разработать сверхкомпактную сенсорную систему, исследователи воспользовались так называемым «процессом микро-оригами». Этот процесс применяется для объединения компонентов датчика AMR в трехмерные архитектуры, которые могут разрешать магнитное векторное поле в трех измерениях. Микро-оригами позволяет разместить большое количество микроэлектронных компонентов в небольшом пространстве и расположить их в той геометрической последовательности, которая недостижима с помощью традиционных технологий микропроизводства. «Процессы микро-оригами были разработаны более 20 лет назад, и замечательно видеть, как весь потенциал этой элегантной технологии теперь можно использовать для новых приложений микроэлектроники», — говорит Шмидт. А) Фотография встроенной в волосы магнитной системы электронной кожи. B) Фотографии процесса интеграции. 1. Устройство IMOS залито эпоксидной смолой; 2. Маленький магнит приклеен к волосу и залит эпоксидной смолой; 3. Изготовлена промежуточная пленка PDMS с полостями; 4. Ультра-гибкая пленка Ecoflex отлита; 5. Магнитные волосы, прокладка PDMS и кожа Ecoflex собраны; 6. Вид снизу слоя кожи, показывающий, что магниты удерживаются в полостях прокладки из PDMS. С) Отклик одного пикселя с течением времени при изгибе волос в разных направлениях. Исходное состояние (I) и различные направления изгиба (II–V) магнитного волоса показаны схематически. D) Реакция массива пикселей на механические воздействия нескольких волосков. Исследовательская группа объединила массив магнитных датчиков трехмерного микро-оригами в единую активную матрицу, где каждый отдельный датчик может быть удобно считан микроэлектронной схемой. «Сочетание магнитных датчиков с активной матрицей и самособирающихся архитектур микрооригами — это совершенно новый подход к миниатюризации и интеграции систем 3D-датчиков с высоким разрешением», — говорит доктор Даниил Карнаушенко, внесший решающий вклад в разработку концепции и дизайна проекта. Исследовательской группе удалось интегрировать 3D-датчики магнитного поля с тонкими волосками с магнитными корнями в искусственную электронную кожу. Электронная кожа сделана из эластомерного материала, в который встроены электроника и датчики. Когда происходит соприкосновение с волосками, движение и точное положение магнитного корня может быть обнаружено лежащими в их основе трехмерными магнитными датчиками. Таким образом, сенсорная матрица способна не только регистрировать движение волосков, но и определять точное направление движения. Как и в случае с настоящей человеческой кожей, каждый волосок на электронной коже становится полноценным сенсорным блоком, способным воспринимать и обнаруживать изменения поблизости. Магнито-механическая связь между трехмерным магнитным датчиком и магнитным корнем волоса в режиме реального времени обеспечивает новый тип сенсорного восприятия электронной кожи. Это, в частности, позволит будущим роботам распознавать взаимодействие с человеком заблаговременно до предполагаемого контакта или непреднамеренного столкновения.)