Aby sprawić, że roboty staną się bardziej ludzkie i bardziej ludziom przyjazne, technologia smart skin, czyli inteligentnej skóry jest kluczowym elementem umożliwiającym robotowi odbieranie bodźców ze świata. Taka skóra mogłaby pomóc maszynom lepiej odczuwać czynniki środowiskowe i tym samym skuteczniej służyć ludziom. Jednak konwencjonalne inteligentne skóry potrzebują źródła zasilania. To nieco dziwne, że użytkownicy mogą mieć ultra-cienką, zaawansowaną technologicznie, lekką i elastyczną skórę i jednocześnie musza zasilać ją ciężką bateria, która pracuje tylko przez parę godzin. Ponadto, wyższa jakość zawsze oznacza wyższe zużycie energii i skomplikowane obwody elektryczne. Te dwa aspekty muszą być dobrze zbalansowane, aby w efekcie otrzymać praktyczne urządzenie. Nasuwa się więc oczywiste pytanie: czy możliwe jest osiągnięcie wyższej jakości i jednoczesna redukcja zużycia energii? Samozasilająca inteligentna skóra, taka jak ta stworzona niedawno przez zespół badaczy z Chin rozwiązuje ten problem. W swojej pracy, naukowcy połączyli efekt tryboelektryczny i indukcję elektrostatyczną i stosują je w subtelnym urządzeniu tworząc po raz pierwszy samozasilającą analogową inteligentną skórę.

Struktura analogowych skór inteligentnych. (a) Schematyczny diagram (b) Przezroczysta, elastyczna i lekka skóra inteligentna, która nie deformuje peonii po wylądowaniu na niej pszczoły. (c) Obraz SEM mikrostruktur. (d) Obraz SEM srebrnych nanoprzewodów i elektrod. (Za pozwoleniem American Chemical Society)

Zespół prowadzony przez Prof. Haixię Zhang publikował swoje odkrycia w ACS Nano ("Self-Powered Analogue Smart Skin"). Podczas National Key Laboratory of Science and Technology on Micro/Nano Fabrication na Uniwersytecie w Pekinie, zaprezentowali samozasilającą skórę wykrywającą położenie i prędkość styku w oparciu o jedno-elektrodowy efekt elektryfikacji i indukcję elektrostatyczną.  W publikacji, zespół prezentuje dwa główne osiągnięcia. Pierwsze z nich to fakt, że inteligentna skóra jest samozasilająca. „Wykorzystujemy efekt spontanicznych ładunków tryboelektrycznych aby wykrywać dotyk na sztucznej skórze” wyjaśnia Zhang.  „Ładunki tryboelektryczne pojawiają się w naszym codziennym życiu wszędzie tam, gdzie dwie powierzchnie dotykają się. Kiedy naładowana powierzchnia zbliża się do metalu bądź elektrody, indukuje ładunek przeciwny, co nazywamy efektem indukcji elektrostatycznej”. Piękno tego podejścia polega na tym, że umożliwia nam wykorzystywanie ładunków z efektu tryboelektrycznego, który istnieje wszędzie. Wyobraźmy sobie scenariusz, w którym pijemy kawę. Podchodzimy do stołu, przez co generujemy przeciwne ładunki na powierzchni butów i podłogi; dotykamy kubka, przez co generujemy przeciwny ładunek na skórze dłoni i rączce kubka, co więcej- nawet picie kawy wygeneruje przeciwne ładunki w naszym przewodzie pokarmowym i kawie. Chińscy naukowcy wykorzystują te spontaniczne, choć często ignorowane ładunki, aby uczynić materiał samozasilającym. Intensywność indukcji elektrostatycznej zależy od odległości pomiędzy naładowaną powierzchnią a metalową elektrodą. Badacze używają elektrod aby mierzyć intensywność efektu indukcji elektrostatycznej, pozwalającą na kalkulację położenia na podstawie relatywnej intensywności. W ten sposób nie potrzebują żadnego dodatkowego źródła energii. Drugie osiągnięcie polega na tym, że potrzeba tylko 4 elektrod aby osiągnąć milimetrową dwuwymiarową precyzję (rozdzielczość), dzięki wykorzystaniu metody lokalizacji analogowej w celu wykrycia dotyku. „W porównaniu z poprzednimi metodami (patrz odnośniki 1-3 poniżej), ta skóra inteligentna znacząco redukuje liczbę potrzebnych elektrod”, zauważa Zhang. „To bardzo pomocne dla uproszczenia obwodu przetwarzania sygnału. Pomimo użycia mniejszej liczby elektrod, skóra uzyskuje 1,9-milimetrową rozdzielczość- znacznie lepszą niż poprzednie”. Zhang dodaje, że w porównaniu z cyfrowymi skórami inteligentnymi, które były obszernie badane, analogowe typy wciąż potrzebują rozległych testów. „Analogowa skóra ma oczywistą przewagę jeśli chodzi o precyzję i zużycie energii”, mówi. „Mam nadzieję, że nasza praca przyciągnie uwagę do tematu i co więcej, będzie przydatna w zastosowaniach do sztucznej inteligencji i urządzeń przenośnych, jako że samozasilający i precyzyjny sensor może mieć różne zastosowania”.

Inteligenta skóra na sztucznej ręce. (a) Zdjęcie sztucznej ręki pokrytej dwuwymiarową analogową skóra inteligentną na zakrzywionej części wierzchniej dłoni i jednowymiarową skórą analogową na środku palców. (b) Napięcie wyjściowe w momencie zbliżania się i szybkiego oddalania pszczoły. (c,d) Napięcia elektrod a-d. (e) Napięcie wyjściowe w momencie dotknięcia sztucznej ręki. (f) Wyniki badania lokalizacji. (Za pozwoleniem American Chemical Society.)

Idąc dalej, zespół będzie pracował nad rozciągliwością skóry (obecna wersja nie jest rozciągliwa) i poprawą precyzji. Według naukowców, dzięki teoretycznie nieskończonym możliwościom ulepszania precyzji, w praktyce także można poprawić obecny rezultat. Co więcej, badacze będą starali się wbudować do projektu więcej parametrów (np. temperatury) oraz możliwość przesyłania sygnału. Będą także badać możliwości ochrony skóry przed czynnikami środowiskowymi, co jest kluczowe pod kątem praktycznych zastosowań.

Źródło: http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=43084.php

Odnośniki:

1. Kaltenbrunner, M, et al. "An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics." Nature 499.499(2013):458-63.2)

2. Lipomi, Darren J., et al. "Skin-like pressure and strain sensors based on transparent elastic films of carbon nanotubes." Nature Nanotechnology 6.12(2011):788-792.3)

3. Kim, So Young, et al. "Highly Sensitive and Multimodal All-Carbon Skin Sensors Capable of Simultaneously Detecting Tactile and Biological Stimuli." Advanced Materials 27.28(2015):4178-4185.