Electric Skin som konkurrerar med the Real Thing

Den taktila känsligheten hos mänsklig hud är svår att återskapa, särskilt på stora, flexibla ytor. Men två forskargrupper i Kalifornien har tillverkat tryckavkännande enheter som avsevärt förbättrar den senaste tekniken.

Känslig hud: En ny känselsensor kan upptäcka den milda beröringen av en avstigande insekt.

En, gjord av forskare vid Stanford University, är baserad på organisk elektronik och är 1 000 gånger känsligare än mänsklig hud. Den andra, gjord av forskare vid University of California, Berkeley, använder integrerade arrayer av nanotrådstransistorer och kräver väldigt lite ström. Båda enheterna är flexibla och kan skrivas ut över stora ytor; de beskrivs denna vecka i separata tidningar i tidskriften Naturmaterial .

Mycket känsliga ytor kan hjälpa robotar att plocka upp känsliga föremål utan att bryta dem, ge proteser en känselkänsla och ge kirurger bättre kontroll över verktyg som används för minimalt invasiv kirurgi. Vårt mål är att efterlikna den mänskliga huden, säger Zhenan Bao , professor i kemiteknik vid Stanford. Människohud reagerar snabbt på tryck och kan upptäcka föremål så små som ett sandkorn och ljus som en insekt.

Kärnan i Baos enhet består av en klar silikonhaltig polymer som kallas PDMS. Detta materials förmåga att lagra laddning är direkt relaterad till dess tjocklek. För några år sedan, forskare under ledning av Takao Someya vid University of Tokyo drog fördel av denna egenskap och använde PDMS som det isolerande skiktet i flexibla organiska transistorer som fungerade som trycksensorer. Men dessa sensorer var begränsade: när de komprimeras ändrar PDMS-molekyler konformation, och det tar tid för dem att återgå till sitt ursprungliga tillstånd.

Bao åtgärdade detta problem genom att mönstra polymermaterialet med arrayer av mikropelare som står upp från den berörbara ytan. Denna design gör att materialet kan böjas och snabbt återgå till sin ursprungliga form, vilket innebär att det är möjligt att göra tryckmätningar i snabb följd. Mikrostruktureringen förbättrar också enhetens känslighet. Det mildaste trycket som mänsklig hud kan upptäcka är ungefär en kilopascal; Baos enheter kan upptäcka tryck som är 1 000 gånger mildare.

Detta tillvägagångssätt kan användas för att tillverka flexibla material med billiga trycktekniker, men den resulterande enheten kräver höga spänningar för att fungera. Ali Javey , professor i elektroteknik och datavetenskap vid University of California, Berkeley, har byggt lågeffekts taktila sensorer baserade på arrayer av oorganiska nanotrådstransistorer. Transistorerna är anordnade under, och anslutna till, ett lager av ett kommersiellt tillgängligt ledande gummi som innehåller kolnanopartiklar. När gummit komprimeras ändras dess elektriska resistans, och detta kan detekteras av transistorerna. Nanotrådarna används som aktiv elektronik för att köra den taktila sensorn ovanpå, förklarar han.

Nanotrådstransistorer erbjuder lågspänningsdrift och snabba omkopplingshastigheter i en flexibel yta. Medan Baos enheter kräver cirka 20 volt för att fungera, behöver Javeys mindre än fem volt.

Javey har gjort sensormatriser som är cirka 50 centimeter i kvadrat. Bao har byggt cirkulära arrayer som är drygt 10 centimeter i diameter. Båda forskarna säger att storleken på deras enheter endast begränsas av verktygen i labbet – i Javeys fall storleken på kontaktskrivaren och i Baos fall storleken på formen som används för att forma PDMS.

Konstgjord hud kan erbjuda stora fördelar för robotmanipulation, säger Matei Ciocarlie , forskare vid Willow Garage, ett personligt robotikföretag baserat i Menlo Park, Kalifornien. När en robot manipulerar ett objekt kan det objektet ofta vara dolt från kameror och andra sensorer, så taktil avkänning kan ge användbar feedback. Touch sensing kan också hjälpa robotar att undvika hinder och lokalisera föremål i svåra miljöer. Konstgjord hud måste kunna täcka stora, oregelbundna ytor på roboten, ha adekvat känslighet och dynamiskt omfång – alla mycket betydande utmaningar som dessa nya teknologier lovar att ta itu med, säger Ciocarlie.

De nya elektroniska hudenheterna är ett avsevärt framsteg i den senaste tekniken när det gäller strömförbrukning och känslighet, säger John Boland , professor i kemi vid Trinity College vid University of Dublin. Det verkliga framsteg är dock att gå bort från en platt geometri till en flexibel enhet som kan användas för att göra något i form av ett mänskligt finger, säger han.

Kirurgiska verktyg med mycket känsliga taktila sensorer kan ge läkare bättre kontroll över hur mycket kraft de använder under minimalt invasiva operationer. Och flexibel elektronisk hud med stora ytor skulle kunna anpassa sig till kurvorna för framtida protesanordningar. Dagens proteser är råa – de kan greppa men ger ingen taktil feedback, konstaterar Boland.

Dölj