Биополе, аура и прочая эзотерика находят реальное воплощение в слабых электромагнитных полях. Рыбки семейства клюворылых (мормириды) способны определять пищу в мутной воде и даже в иле, чувствуя её по слабым возмущениям электромагнитного поля. Учёные из Гонконга воспроизвели систему сенсорики этих рыбок в биосовместимых накладках и намерены вооружить ею человека и автоматику.

Источник изображений: City University of Hong Kong

«Мы разработали новую стратегию 3D-позиционирования движения с помощью электронной кожи, вдохновленную ”электрической рыбой"», — рассказал Син Ю (Xinge Yu), профессор кафедры биомедицинской инженерии Городского университета Гонконга. Команда описала свой датчик, который использует ёмкость для обнаружения объекта независимо от его проводимости, в статье, опубликованной в ноябре в журнале Nature.

Один слой датчика действует как передатчик, генерируя электрическое поле, которое выходит далеко за его пределы. Другой слой работает как приёмник, который способен определять как направление, так и расстояние до объекта. Это позволяет сенсорной системе «чувствовать» местоположение объекта в трёхмерном пространстве.

Электродные слои датчика изготовлены из биогеля, нанесенного с обеих сторон на диэлектрическую подложку из полидиметилсилоксана (PDMS) — это полимер на основе кремния, популярный материал в биомедицине. На передающей и принимающей частях создан рисунок, формирующий и распознающий электромагнитные поля — фактически антенны. Всё это заключено в прозрачный биогель, гибкий и совместимый с биологией человека. Своеобразный пластырь может растягиваться и сгибаться, например, плотно облегая запястье человека.

Когда в зоне действия поля датчика оказывается посторонний объект, его фиксирует приёмник. Благодаря массиву сенсоров определяется направление до объекта и, в целом, его расположение в трёхмерном пространстве. Прототип датчика оказался способен распознавать объекты на воздухе в пределах 10 см, а под водой — до 1 м. Лёгкие преграды из ткани или бумаги не мешали распознавать «возмутителей» спокойствия, но появление в пределах 40 см от датчика другого человека или массивных предметов снижали точность распознавания.

Разработчики создали платформу максимально энергоэффективной. В конечном итоге датчик передаёт на смартфон данные об обстановке по Bluetooth. Передаются не сырые данные об окружении, а уже обработанный результат, подготовленный для финальной обработки. Тем самым экономится энергия и ресурсоёмкая передача осуществляется лишь по необходимости. Простой контроллер и схема обработки данных встроены в пластырь и залиты биогелем. Встроенная туда же литийионная батарейка заряжается беспроводным способом через электромагнитную катушку.

Разработка обещает улучшить ориентацию в сложной среде людей и роботов, но пока она может хорошо распознавать лишь объекты определённого размера, в частности 8 мм в диаметре. Меньшие предметы определяются с плохой точностью, а более крупные — слишком медленно. Сейчас подобное устройство можно использовать, например, для распознавания жестов, показанных кончиками пальцев, но работы ещё много, и исследования будут продолжены.

Исследователи из Токийского университета нашли способ надёжно закреплять искусственную кожу на любой поверхности роботов. Большинство решений в данной области не очень надёжны — кожа может отваливаться, рваться или трескаться. Японцы руководствовались аналогией со связками в подкожном слое человека, что помогло найти надёжный способ крепления искусственной кожи на поверхностях роботов любой кривизны.

Источник изображений: The University of Tokyo

Исследователи придумали и испытали систему V-образных отверстий (перфораций) на поверхности роботов, через которые крепилась искусственная кожа. Основная сложность состояла в том, что коллагеновый гель, который обеспечивал надёжное прилегание кожи к поверхности и должен был удерживать её в креплениях, был слишком липким и вязким для внесения в отверстия перфораций. Для решения проблемы учёные воспользовались методом плазменной обработки поверхности для работы с коллагеном и всё у них получилось.

«В этом исследовании нам удалось в некоторой степени воспроизвести внешность человека, создав лицо из того же материала поверхности и структуры, что и у людей, — говорят авторы работы. — Кроме того, в ходе этого исследования мы выявили новые проблемы, такие как необходимость формирования морщин на поверхности кожи и создание более толстого эпидермиса для достижения более человеческого внешнего вида». Более толстая кожа, кстати, оставит место для установки туда разных датчиков. Роботы смогут подставить лицо солнцу и ветру, и насладиться настоящими ощущениями.

Исследователи использовали подвижные крепления, чтобы продемонстрировать мимику искусственного лица. Не имея никаких мышц лицо могло улыбаться (довольно жутко) без каких-либо последствий для кожи на поверхностном слое и в местах крепления. Эта разработка также может помочь в обучении пластических хирургов и в случае решений других косметических задач.

Кожа — не только защитный барьер для внутренних органов, но и ценный инструмент нервной системы для восприятия внешнего мира. Люди, перенёсшие тяжёлые ожоги, ампутации или другие травмы, утрачивают осязание и теряют тактильную чувствительность. Группа исследователей из Стэнфордского университета создала «электронную кожу», имитирующую настоящую. Эта технология может помочь восстановить тактильные ощущения людям, утратившим осязание.

Источник изображений: Stanford University

«Электронная кожа» похожа на сверхтонкую наклейку. Один лист прозрачной плёнки состоит из гибкой интегральной микросхемы с 5-вольтовым питанием. Трёхслойная структура «электронной кожи» является диэлектрической, каждый слой содержит органические наноструктуры, которые могут быть спроектированы индивидуально для восприятия различных сенсорных сигналов: в то время как один может определять температуру, другой помогает пользователю ощущать давление. Каждый слой имеет толщину менее микрона. Для повышения долговечности «электронная кожа» крепится на гибкую подложку, толщина которой сопоставима с толщиной внешнего слоя человеческой кожи.

В эксперименте на лабораторных крысах исследователи стимулировали «электронную кожу», используя компьютер для наблюдения за нервными реакциями. Применение давления или тепла к коже вызывало ответную реакцию в виде подёргивания конечностей и возбуждение нервов, доказав, что технология на самом деле обеспечивает осязание. «Электронную кожу» можно многократно сгибать и растягивать, не разрывая и не боясь повредить.

«Электронная кожа» может когда-нибудь вернуть сенсорные способности людям с утраченным осязанием. Её также можно интегрировать в протезы, что повысило бы мобильность пользователя и позволило чувствовать обратную тактильную связь. К сожалению, «электронная кожа» сделана из органических материалов и в настоящее время обладает малым сроком службы. Кроме того, пока она способна улавливать только колебания давления и температуры, так что учёным ещё предстоит много работы.