Механические датчики, вдохновлённые кожей крокодила, демонстрируют необычайную чувствительность

Современные механические датчики имеют ряд ограничений, в том числе плохую растяжимость и последующую потерю чувствительности при деформации, которые являются важными характеристиками для оптимизации, если датчики применяются в носимых устройствах или мягких роботах.

Исследователи установили, что рецепторы давления в крокодиловой коже имеют куполообразную форму, что обеспечивает более высокую чувствительность по сравнению с плоскими рецепторами, поскольку они легче деформируются при приложении механического давления. Рецепторы окружены шарнирными структурами, которые «поглощают» эту деформацию, удерживая куполообразные рецепторы в первозданной форме.

Чо и его команда решили воссоздать эти микроскопические куполообразные механические рецепторы, имитируя шарниры в крокодиловой коже, чтобы разработать датчик, способный воспринимать давление даже при напряжении. Искусственные механические датчики состоят из двух компонентов: одного деформируемого элемента, который меняет форму под механическим давлением, и проводящего элемента, который преобразует механический сигнал в электрический.

В текущем исследовании была использована пленка из растяжимого органического полимера на основе кремния, называемого полидиметилсилоксаном, на котором разработчики сделали «выпуклости» в форме микрокупола, чтобы имитировать поверхность кожи крокодила. Затем они внедрили в полимерную структуру серебряные нанопроволоки, которые служат проводящим компонентом. При деформации микрокупола эти тончайшие проволоки перестраиваются и создают электрический ток, считываемый электродом в верхней части структуры. Чтобы сделать датчик способным обнаруживать механическое давление даже при растяжении, команда также добавила структурные «морщины» между микрокуполами, многократно растягивая и отпуская материал. 

При испытаниях датчика чувствительность к давлению практически не изменилась, когда пленку растягивали в разных направлениях. Кроме того, исследователи убедились в способности датчика противостоять повторяющемуся механическому давлению, не деформируясь, не ломаясь и не изменяя свою чувствительность.

Задумавшись о применении датчика, исследователи провели испытания, в результате которых было обнаружено, что их устройство чувствительно к весу монет разного размера, восприимчиво к малейшим колебаниям давления воздуха или прикосновениям. Чтобы сделать этот датчик более надёжным, команда планирует включить различные другие сенсорные функции, такие как температурная, химическая и световая чувствительность.