Одной из задач, стоящих перед инженерами, является сложность создания экономичного высокочувствительного датчика, необходимого для таких применений, как обнаружение едва заметных импульсов, управление роботизированными конечностями и создание весов со сверхвысоким разрешением. Однако команда исследователей разработала датчик, способный выполнять все эти задачи.

Исследователи из Пенсильванского государственного университета и Технологического университета Хэбэй в Китае хотели создать датчик, который был бы чрезвычайно чувствительным и надежно линейным в широком диапазоне применений, обладал высоким разрешением по давлению и был способен работать при больших предварительных нагрузках.

"Датчик может обнаружить небольшое давление, когда уже приложено большое давление", - сказал Хуанью "Ларри" Ченг, доцент кафедры инженерных наук и механики университета Пенсильвании имени Джеймса Л. Хендерсона-младшего и соавтор статьи о работе, опубликованной в Nature Communications. "Аналогия, которую я люблю использовать, заключается в том, что это все равно что обнаружить муху на вершине слона. Он может измерять малейшее изменение давления точно так же, как наша кожа реагирует на прикосновение".

На разработку этих датчиков Ченга вдохновил очень личный опыт: рождение его второй дочери.  

Дочь Ченга потеряла 10% своего веса вскоре после рождения, поэтому врач попросил его взвешивать ребенка каждые два дня, чтобы отслеживать любую дополнительную потерю или прибавку в весе. Ченг попытался сделать это, взвесившись на обычных домашних весах, а затем взвесившись, держа на руках свою дочь, чтобы измерить вес ребенка.  

"Я заметила, что когда я завернула свою дочь в одеяло, когда я больше не держала ее на руках, вы не заметили изменения в весе", - сказала Ченг. "Итак, мы узнали, что попытка использовать коммерческие весы не сработала, они не зафиксировали изменение давления". 

Испробовав множество различных подходов, они обнаружили, что наиболее перспективным является использование датчика давления, состоящего из градиентных микропирамидальных структур и ультратонкого ионного слоя для получения емкостного отклика.

Однако по-прежнему существовала проблема, с которой они сталкивались. Высокая чувствительность микроструктур снижалась бы с увеличением давления, а случайные микроструктуры, созданные по образцу природных объектов, приводили к неконтролируемой деформации и узкому линейному диапазону. Проще говоря, когда к датчику прикладывается давление, это приводит к изменению формы датчика и, следовательно, к изменению площади контакта между микроструктурами и искажению показаний.

Чтобы решить эти проблемы, ученые разработали модели микроструктуры, которые могли бы увеличить линейный диапазон без снижения чувствительности - по сути, они сделали его гибким, так что он все еще мог функционировать при перепадах давлений, существующих в реальном мире. В их исследовании изучалось использование CO2-лазера с гауссовым лучом для изготовления программируемых структур, таких как градиентные пирамидальные микроструктуры (GPM) для датчиков iontronic, которые представляют собой мягкую электронику, способную имитировать функции восприятия человеческой кожи. Этот процесс снижает стоимость и сложность процесса по сравнению с фотолитографией, методом, обычно используемым для получения тонких образцов микроструктуры для датчиков.

"Я думаю, что в будущем возможно дальнейшее совершенствование модели и возможность учета более сложных систем, и тогда мы, безусловно, сможем понять, как создавать еще более совершенные датчики".

Хуанью "Ларри" Ченг, мемориальный доцент инженерных наук и механики Джеймса Л. Хендерсона-младшего, Пенсильванский государственный университет

Ченг считает Руокси Янга, аспиранта его лаборатории и первого автора исследования, движущей силой этого решения. 

"Ян - очень умный студент, который предложил идею решения проблемы с датчиком, который на самом деле представляет собой что-то вроде комбинации множества маленьких деталей, умело сконструированных вместе", - сказал Ченг. "Мы знаем, что структура должна быть микромасштабной и иметь тонкий дизайн. Но спроектировать или оптимизировать конструкцию непросто, и она работала с лазерной системой, которая есть у нас в лаборатории, чтобы сделать это возможным. Последние несколько лет она очень усердно работала и смогла изучить все эти различные параметры и быстро просмотреть все это пространство параметров, чтобы найти и улучшить производительность". 

Этот оптимизированный датчик обладал быстрым откликом и временем восстановления, а также превосходной повторяемостью, которую команда протестировала путем обнаружения едва заметных импульсов, управления интерактивными роботизированными руками и создания интеллектуальных весов и кресел со сверхвысоким разрешением. Ученые также обнаружили, что предложенные в этой работе подходы к изготовлению и инструментарий проектирования могут быть использованы для легкой настройки характеристик датчика давления для различных целевых применений и открывают возможности для создания других датчиков iontronic, линейки датчиков, использующих ионные жидкости, такие как ультратонкий ионный слой. Наряду с созданием будущих весов, на которых родителям было бы легче взвешивать своего ребенка, эти датчики могли бы найти и другое применение.  

"Мы также смогли обнаружить пульс не только на запястье, но и на других дистальных сосудистых структурах, таких как бровь и кончик пальца", - сказал Ченг. "Кроме того, мы объединяем это с системой управления, чтобы показать, что это возможно использовать для будущего взаимодействия человека и робота. Кроме того, мы предполагаем другие варианты использования в здравоохранении, например, для людей, потерявших конечность, и этот датчик мог бы стать частью системы, помогающей им управлять роботизированной конечностью ". 

Ченг отметил другие потенциальные области применения, такие как датчики для измерения пульса человека во время напряженных рабочих ситуаций, таких как поисково-спасательные работы после землетрясения или выполнение сложных, опасных задач на строительной площадке.  

Исследовательская группа использовала компьютерное моделирование и автоматизированное проектирование, чтобы помочь им изучить идеи для этих новых датчиков, что, по словам Ченга, является сложной работой, учитывая все возможные сенсорные решения. Эта электронная помощь будет продолжать продвигать исследования вперед.  

"Я думаю, что в будущем возможно дальнейшее совершенствование модели и возможность учета более сложных систем, и тогда мы, безусловно, сможем понять, как создавать еще более совершенные датчики", - сказал Ченг.  

Помимо Ченга и Яна, другими авторами исследования из Пенсильванского университета являются Анкан Датта, Боуэн Ли, Навин Тивари, Ваньцин Чжан, Чжэньюань Ниу, Юйань Гао, Дэниел Эрдели и Синь Синь, а также Тьеджун Ли из Университета Хэбэй.