پوست الکترونیکی حساس با موهای مصنوعی

یک تیم تحقیقاتی از Chemnitz  و Dresden آلمان گام بزرگی را در ساخت پوست الکترونیکی حساس (e-skin) با موهای مصنوعی یکپارچه برداشته است. e-skinها سیستم‌های الکترونیکی انعطاف‌پذیری هستند که سعی می‌کنند حساسیت پوست طبیعی انسان را تقلید کنند. کاربردها از جای‌گزینی پوست و حس‌گرهای پزشکی روی بدن تا پوست مصنوعی برای ربات‌های انسان‌نما و اندرویدی را شامل می‌شود. موهای سطحی ریز می‌توانند کوچک‌ترین حس لامسه را روی پوست انسان حس کرده و پیش‌بینی کنند و حتی جهت لمس را تشخیص دهند. سیستم‌های پوست الکترونیکی مدرن این قابلیت را کم دارد و نمی‌توانند این اطلاعات حیاتی در مورد پیرامون خود را جمع‌آوری کنند.
یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی پورفسور Dr. Oliver G. Schmidt استاد سیستم‌های مواد برای نانوالکترونیک و نیز مدیر علمی مرکز تحقیقات برای مواد، معماری و ادغام نانوغشاها (NAIN) در دانشگاه Chemnitz، یک راه جدید برای ساخت حس‌گرهای میدان مغناطیسی سه بعدی و وابسته به جهت که می‌توانند در یک سیستم پوست الکترونیکی (ماتریس فعال) ادغام شوند را بررسی کردند. این تیم از یک روی‌کرد کاملاً جدید برای کوچک‌سازی و ادغام آرایه‌های دستگاه‌های سه بعدی استفاده کرد و گام بزرگی در جهت تقلید از لمس طبیعی پوست انسان برداشت. محققان نتایج خود را در مجله Nature Communications گزارش کردند. Christian Becker دانشجوی دکترا در گروه تحقیقاتی پروفسور Schmidt در Main و اولین نوسینده این مطالعه می‌گوید: روی‌کرد ما امکان آرایش مکانی دقیق عناصر حس‌گر عمل‌کری را به صورت سه‌بعدی برقرار می‌کند که می‌تواند در یک فرآیند تولید موازی به صورت انبوه تولید شوند. چنین سیستم‌های حس‌گری به منظور تولید با روش‌های ساخت میکروالکترونیک شناخته شده بسیار دشوار است.

ادغام فناوری اریگامی زیبا با مدارهای میکروالکترونیک

هسته سیستم حس‌گر ارائه شده توسط تیم تحقیقاتی، مقاومت مغناطیسی ناهمسان‌گرد (AMR) نامیده می‌شود. برای تعیین دقیق تغییرات میدان مغناطیسی می‌توان از حس‌گر AMR استفاده کرد. حس‌گرهای AMR در حال حاضر به عنوان حس‌گر سرعت در خودروها و یا برای تعیین موقعیت و زاویه اجزای متحرک در انواع ماشین‌ها استفاده می‌شوند.
برای ساخت سیستم حس‌گر بسیار فشرده محققان از فرآیندی استفاده کردند که میکرواریگامی نامیده می‌شود. این فرآیند برای تا زدن اجزای حس‌گر AMR در ساختار‌های سه بعدی استفاده می‌شود که می‌توانند میدان بردار مغناطیسی را در سه‌بعد تشخیص دهند. میکرواریگامی به تعداد زیادی از اجزای میکروالکترونیکی اجازه می‌دهد تا در فضای کوچک قرار گیرند و آن‌ها را در یک شکل هندسی می‌چینند‌ که با فناوری ساخت میکرو رایج قابل دست‌یابی نیست. پروفسور Oliver G. Schmid می‌گوید: فرآیندهای میکرواریگامی بیش از 20 سال پیش ایجاد شده اند و شگفت‌انگیز است که اکنون ببینیم چگونه می‌توان از پتانسیل کامل این فناوری ظریف برای کاربردهای جدید میکروالکترونیکی استفاده کرد. تیم تحقیقاتی آرایه حس‌گر مغناطیسی سه‌بعدی را در یک ماتریس فعال ادغام کرد، جایی که هر حس‌گر می‌تواند به راحتی به صورت جداگانه توسط مدارهای میکروالکترونیک مورد بررسی قرار گیرد و خوانده شود. Dr. Daniil Karnaushenko که قاطعانه در مفهوم، طراحی و پیاده‌سازی پروژه مشارکت داشت می‌گوید: ترکیب حس‌گرهای مغناطیسی ماتریس فعال با ساختارهای میکرواریگامی خودساز یک روی‌کرد کاملاً جدید برای کوچک‌سازی و یکپارچه‌سازی سیستم‌های حس‌گر سه بعدی با وضوح بالا است.

پیش‌بینی  جهت لمس توسط موهای ریز 

تیم تحقیقاتی موفق شدند حس‌گرهای میدان مغناطیسی سه بعدی را با موهای ظریف ریشه دار مغناطیسی در یک پوست الکترونیک مصنوعی ادغام کنند. پوست الکترونیکی از یک ماده الاستومری ساخته شده است که بخش‌های الکترونیکی و حس‌گرها در آن تعبیه شده است، مشابه با پوست انسان که با اعصاب در هم آمیخته است. هنگامی که مو لمس و خم می‌شوند حرکت و موقعیت دقیق ریشه مغناطیسی توسط حس‌گرهای مغناطیسی سه‌بعدی زیرین قابل تشخیص است. از این رو ماتریس حس‌گر نه تنها قادر به حرکت آشکار مو است بلکه جهت حرکت دقیق را نیز تعیین می‌کند. مانند پوست واقعی انسان هر مو روی پوست الکترونیکی به یک واحد حس‌گر کامل تبدیل می‌شود که می‌تواند تغییرات را در مجاورت درک و تشخیص دهد و حس را فراتر از فرورفتگی مستقیم پوست افزایش می‌دهد. اتصال مکانیکی-مغناطیسی بین حس‌گر مغناطیسی سه‌بعدی و ریشه مو مغناطیسی در زمان واقعی نوع جدیدی از ادراک حساس به لمس را توسط یک سیستم پوست الکترونیکی ارائه می‌دهد. این قابلیت زمانی که انسان‌ها و ربات‌ها از نزدیک با هم کار می‌کنند از اهمیت بالایی برخوردار است. به عنوان مثال ربات می‌تواند تعامل با یک انسان را با جزئیات بسیار قبل از تماس تعیین شده یا این که یک برخورد ناخواسته رخ دهد، حس کند.
در حقیقت این سیستم از یک IMOS (حس‌گر مغناطیسی میکرواریگامی) محصور شده ساخته شده است که با دو لایه پلیمری الاستیک که در آن موهای مغناطیسی گنجانده شده انباشته شده است. گوی‌های مو مغناطیسی در لایه حفره‌های پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان که توسط فیلم فوق‌العاده انعطاف‌پذیر که در بالای PMDS تشکیل شده نگهداری می‌شوند. بنابراین به آسانی می‌توانند در پاسخ به نیروی اعمال شده خارجی به موها کج شوند. یک محرک خارجی به عنوان مثال خم شدن مو در یک جهت منجر به حرکت منحنی در جهت مخالف می‌شود که به نوبه‌ خود توسط دستگاه IMOS شناسایی شده است.
شکل. (a تصویری از موهای مغناطیسی تعبیه شده در پوست الکترونیکی. شامل آرایه IMOS قرار گرفته در محفظه برای دریافت سیگنال و یک لایه پوست تعبیه شده با مو مغناطیسی برای تبدیل محرک مکانیکی. (b. تصاویری از فرآیند ادغام، دستگاه IMOS توسط اپوکسی محصور شده است. یک مگنت کوچک به مو چسبده است و در اپوکسی نشسته است. یک فیلم فاصله‌انداز از PDMS همراه با حفره‌هایی ساخته شده است. فیلم فوق‌العاده انعطاف‌پذیر Ecoflex ریخته‌گری شده است. مو مغناطیسی، فاصله‌انداز PDMS و پوست Ecoflex مونتاژ می‌شوند. نمای پایین لایه پوست نشان می‌دهد که مگنت‌ها در داخل حفره‌های فاصله‌انداز PDMS نگه داشته می‌شوند.

 منابع و مراجع

e-skin

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/04/220427115742.htm