Электронная кожа
Сегодня по всему миру ведутся разработки гуманоидных роботов, бионических протезов, искусственных органов. Пожалуй, на данный момент учёные и конструкторы дальше всего продвинулись именно в протезировании. К сожалению, внешний вид этих шедевров биоинженерии по-прежнему оставляет желать лучшего с точки зрения неотличимости от живой плоти. Кроме того, для успешного использования таких протезов необходим визуальный контроль, поскольку искусственная конечность лишена тактильных ощущений. И для решения всех этих проблем учёные разрабатывают искусственную электронную кожу. Каких успехов они уже добились?
Искусственная тактильная чувствительность у людей и машин пока что остаётся уделом фантастических фильмов и книг. Но есть все основания считать, что скоро появятся и первые настоящие инженерные образцы действующих систем. Причём помимо протезирования и оснащения роботов, технология искусственной кожи обещает найти применение и в области носимых гаджетов.
Сами по себе роботы уже давно не удивляют никого, кроме старушек из захолустья. И чем больше механические «существа» будут проникать в нашу повседневную жизнь, —, а это, судя по всему, неизбежно, — тем важнее будет становиться придание им возможности «чувствовать шкурой». Это будет необходимо как минимум для безопасности их собственного функционирования: помимо формы объектов, нужно определять скользкость, текстуру и температуру поверхности, иначе робот может уронить предмет или упадёт сам. Ощущая свойства предмета, робот сможет точно рассчитать необходимое и достаточное усилие удержания.
Эта польза от распределённой сети датчиков, позволяющей точно измерить небольшие изменения давления, привлекает внимание производителей и энтузиастов носимых гаджетов и «умной» одежды. Искусственная электронная кожа (E-skin) также может оказаться полезной в создании нательных датчиков мониторинга физического состояния, и даже найти применение в минимальной инвазивной хирургии.
Мягкость, гибкость и эластичностьКак уже упоминалось, гибкая искусственная кожа особенно востребована в сфере протезирования. Современные высокотехнологичные протезы, использующие миоэлектрические интерфейсы, получают сигналы напрямую из мышечной ткани человека и с помощью сложных алгоритмов преобразуют их в движение сервомоторов. Но, несмотря на усилия дизайнеров придать искусственным протезам наиболее естественный вид, их искусственность будет очень сильно заметна. И важнейшую роль в этом восприятии играет твёрдость внешней оболочки протезов. Она не гнётся и не тянется, как настоящая кожа, а уж про прикосновение и говорить не приходится.Настоящий прорыв в области искусственной кожи произойдёт, когда ей удастся придать механические свойства кожи человека. Это позволит очень точно взаимодействовать с объектами и избавит людей с протезами от львиной доли дискомфорта и неудобства.
Однако в этом заключается и одна из главных трудностей. Ведь чтобы кожа точно повторяла контуры объектов, содержащаяся в ней электроника тоже должна быть гибкой. К сожалению, почти вся современная микроэлементная база не может похвастаться таким свойством. Хотя на решение этой проблемы направлено немало усилий со стороны разработчиков. Например, первые попытки создания искусственной кожи представляли собой напечатанные на гибкой подложке токопроводящие схемы с припаянными к ним стандартными микроэлектронными компонентами и датчиками. Такие решения были чрезвычайно неуклюжими, поскольку готовые изделия представляли собой некую поверхность, под которой отчётливо прощупывались твёрдые «островки» электронных компонентов, соединённых друг с другом традиционной металлической пайкой.
Тем не менее, подобный подход лёг в основу проекта ROBOSKIN. Внешний покров представлял собой полужёсткий материал с внедрёнными датчиками и электроникой. Конечно, это было далеко от понятия «кожи», но такое покрытие обеспечивало минимальные тактильные возможности и хорошо подходило для использования на больших поверхностях сложной формы. Этот прототип искусственной кожи даже был испытан на различных роботах, в том числе iCub.
Другим интересным подходом к созданию e-skin стало использование органических тонкоплёночных полупроводниковых транзисторов. Эта технология была разработана учёными Токийского и Стэнфордского университетов. Благодаря особенностям своей молекулярной структуры, органические полупроводники изначально обладают гибкостью, что является их важнейшим преимуществом. С другой стороны, скорость и стабильность работы органических компонентов невысоки из-за низкой электропроводности.
Но для создания эффективной искусственной кожи необходима скорость отклика не больше одной миллисекунды, чтобы робот мог реагировать достаточно быстро. А по этому показателю лучше всего подходят высокомобильные материалы, например, монокристаллический кремний.
Однако использование кремния возвращает нас к проблеме гибкости. Один из подходов позволяет решить её с помощью термопереносной печати. Для этого кремниевую нанопроволоку наносят под нагревом на гибкую пластиковую подложку. Она представляет собой эластичный материал под названием полимид (polymide). Такая подложка с нанесёнными токопроводящими схемами из кремниевой нанопроволоки потом оснащается тонкоплёночными транзисторами и датчиками. Эта технология сейчас активно разрабатывается в Университете Глазго (обратите внимание, это всё-таки шотландские учёные!).
Другой перспективный материал был также недавно разработан в стенах Израильского Технологического Института. На подложку из полиэтилентерефталата нанесены датчики, представляющие собой однослойные участки из частиц золота диаметром 5–8 нанометров. Они, словно лепестками, окружены лигандами, выполняющими роль соединителей-проводников. Эти датчики способны измерять давление в диапазоне от десятков миллиграммов до десятков граммов.
Сейчас основные усилия направлены именно на достижение достаточной гибкости и прочности покрова, но, помимо этого, остро стоит вопрос тактильной «натуральности». Кроме того, искусственная кожа, по сути, является электрическим прибором, гаджетом. И эффективность её энергопотребления также потребует внимания разработчиков. Конечно, это не смартфоны с их низким временем автономной работы, но всё же вспоминать о подзарядке своей кожи нужно как можно реже.
В общем, текущее состояние дел с созданием искусственной кожи позволяет надеяться, что в ближайшие годы она достигнет уровня коммерческого продукта. И кто знает, возможно, лет через 20 вы, пожав кому-то руку, потом с удивлением услышите, что это, оказывается, протез.
