Бесконтактное распознавание приближения на расстоянии до пятисот микрометров получила электронная кожа для роботов от исследователей Hanyang University

Источник: EurekAlert

Бесконтактное распознавание приближения на расстоянии до пятисот микрометров получила электронная кожа для роботов от исследователей Hanyang University ERICA, разработавших принципиально новую архитектуру вертикально интегрированных триботронных транзисторов с двойным затвором. Научная разработка южнокорейских ученых под руководством доцента Джэкюна Кима призвана наделить гуманоидных роботов, бионические протезы и медицинские манипуляторы сверхчувствительным осязанием, сопоставимым с кожным покровом человека. Результаты масштабного исследования опубликованы в международном научном журнале Nano Energy и освещены изданиями EurekAlert, Robotics & Automation News и Digital Journal.\n\nГлавным препятствием на пути массового внедрения традиционной электронной кожи (e-skin) до сих пор оставалась жесткая фиксированная чувствительность трибоэлектрических сенсоров, а также сложность создания плотных матриц из тысяч отдельных чувствительных пикселей без резкого увеличения габаритов управляющих электронных плат. Классические датчики давления требуют громоздких внешних усилителей сигналов и сложной аналоговой фильтрации, что перегружает манипуляторы робота лишним весом и кабельной разводкой.\n\nКоманда исследователей из кампуса ERICA Университета Ханьян решила эту фундаментальную проблему путем создания вертикальной структуры, объединяющей трибоэлектрический генератор и тонкопленочный полупроводниковый транзистор в единый микроэлектронный элемент. В качестве верхнего сенсорного затвора используется эластичный полимерный слой полидиметилсилоксана (PDMS), а проводящий полупроводниковый канал выполнен из оксида индия, олова и цинка (ITZO).\n\nУникальность архитектуры заключается в наличии раздельного электрического управления: нижний затвор транзистора позволяет динамически регулировать коэффициент усиления и чувствительность датчика в реальном времени посредством изменения подаваемого смещения электрического напряжения. Это дает роботу возможность мгновенно переключаться между режимами измерения сверхмалых давлений от 0,1 кПа при прецизионных манипуляциях с хрупкими микрочипами и фиксацией высоких механических нагрузок свыше 500 кПа при надежном силовом удержании тяжелых металлических инструментов. Время отклика сенсорного канала составляет менее 1,5 миллисекунды.\n\nКроме того, вертикальное расположение слоев на гибкой полиимидной подложке толщиной менее 25 микрометров кардинально уменьшило площадь отдельного пикселя, позволив сформировать гибкие сенсорные матрицы высокой плотности, идеально повторяющие сложную сферическую форму пальцев и ладоней роботов. В ходе лабораторных тестов матрица продемонстрировала способность регистрировать не только непосредственный механический контакт пальца, но и бесконтактное приближение металлических и диэлектрических объектов на дистанции до 500 микрометров (0,5 мм).\n\nИнтегрированный трибоэлектрический эффект обеспечивает частичное самопитание сенсорных ячеек, что кратно снижает общее энергопотребление массива датчиков и существенно упрощает коммутацию с бортовыми микроконтроллерами робота через стандартные цифровые интерфейсы I2C и SPI. Модуль устойчив к электромагнитным помехам и стабильно работает при многократных циклических деформациях с малым радиусом изгиба до двух миллиметров, сохраняя исходные рабочие характеристики после более чем десяти тысяч циклов непрерывного динамического сгибания и скручивания.\n\nДоцент Джэкюн Ким отметил, что бесконтактное обнаружение приближения в сочетании с настраиваемой тактильной чувствительностью позволяет роботу заранее адаптировать скорость и пространственную траекторию схвата еще до момента соприкосновения с поверхностью. Это полностью исключает случайное повреждение хрупких предметов, минимизирует паразитные ударные нагрузки на редукторы электроприводов и открывает широкую дорогу созданию безопасных коллаборативных гуманоидов нового поколения для совместной работы с людьми в микрохирургии, уходе за пожилыми пациентами и на высокоскоростных автоматизированных сборочных линиях современной высокотехнологичной передовой промышленности.