На пути к новой эре гибких пьезоэлектрических датчиков для людей и роботов

Гибкие пьезоэлектрические датчики необходимы для отслеживания движений как людей, так и человекоподобных роботов. Однако существующие конструкции либо являются дорогостоящими, либо имеют ограниченную чувствительность. В недавнем исследовании исследователи из Японии решили эти проблемы, разработав новый пьезоэлектрический композитный материал, изготовленный из электроформованных нановолокон поливинилиденфторида в сочетании с дофамином. Датчики, изготовленные из этого материала, продемонстрировали значительные улучшения производительности и стабильности при низкой стоимости, что обещает достижения в медицине, здравоохранении и робототехнике.

Мир быстро приближается к интеллектуальной эпохе — этапу в истории, отмеченному ростом автоматизации и взаимосвязанности за счет использования таких технологий, как искусственный интеллект и робототехника. В качестве основополагающего требования в этой трансформации, которое иногда упускают из виду, датчики представляют собой важный интерфейс между людьми, машинами и окружающей средой.

Однако теперь, когда роботы становятся более маневренными, а носимая электроника больше не ограничивается научной фантастикой, традиционные кремниевые датчики не подходят для многих приложений. Таким образом, гибкие датчики, обеспечивающие больший комфорт и большую универсальность, стали очень активной областью исследований. В этом отношении особенно важны пьезоэлектрические датчики, поскольку они могут преобразовывать механическое напряжение и растяжение в электрический сигнал. Несмотря на многочисленные многообещающие подходы, по-прежнему не хватает экологически чистых методов массового производства гибких, высокопроизводительных пьезоэлектрических датчиков по низкой цене.

На этом фоне исследовательская группа из Университета Синсю, Япония, решила принять вызов и улучшить конструкцию гибкого пьезоэлектрического датчика, используя хорошо зарекомендовавшую себя технологию производства: электроспиннинг. Их последнее исследование, которое провел заслуженный профессор Ик Су Ким совместно с Джунпэн Сюном, Лин Ваном, Маякришнаном Гопираманом и Цзянь Ши, было опубликовано 2 мая 2024 года в журнале. Природные коммуникации.

Предлагаемая конструкция гибкого датчика включает поэтапное электроформование композитной 2D-мембраны из нановолокна. Сначала прядут нановолокна поливинилиденфторида (ПВДФ) диаметром порядка 200 нм, образуя прочную однородную сеть, которая служит основой для пьезоэлектрического датчика. Затем на уже существующую основу накручиваются ультратонкие нановолокна ПВДФ диаметром менее 35 нм. Эти волокна автоматически переплетаются между разрывами базовой сети, создавая особую 2D-топологию.

После характеристики с помощью экспериментов, моделирования и теоретического анализа исследователи обнаружили, что полученная композитная сетка из ПВДФ имела улучшенную ориентацию бета-кристаллов. За счет усиления этой полярной фазы, которая отвечает за пьезоэлектрический эффект, наблюдаемый в материалах PVDF, пьезоэлектрические характеристики датчиков были значительно улучшены. Чтобы еще больше повысить стабильность материала, исследователи ввели дофамин (DA) в процесс электропрядения, который создал защитную структуру ядро-оболочка.

«Датчик, изготовленный из композитных мембран PVDF/DA, продемонстрировал превосходные характеристики, включая широкий диапазон отклика 1,5–40 Н, высокую чувствительность 7,29 В/Н к слабым силам в диапазоне 0–4 Н и превосходную эксплуатационную долговечность». замечает Ким. Эти исключительные качества были продемонстрированы на практике с использованием носимых датчиков для измерения самых разных движений и действий человека. Точнее говоря, предлагаемые датчики при ношении человеком могут производить легко различимую реакцию напряжения на естественные движения и физиологические сигналы. Это включало постукивание пальцами, сгибание коленей и локтей, топанье ногами и даже речь и пульсацию запястий.

Учитывая потенциальное недорогое массовое производство этих пьезоэлектрических датчиков в сочетании с использованием экологически чистых органических материалов вместо вредных неорганических, это исследование может иметь важные технологические последствия не только для мониторинга и диагностики здоровья, но и для робототехники. «Несмотря на текущие проблемы, роботы-гуманоиды готовы играть все более важную роль в самом ближайшем будущем. Например, известный робот Теслы «Оптимус» уже может имитировать человеческие движения и ходить как человек», — размышляет Ким. Учитывая, что в настоящее время для мониторинга движений роботов используются высокотехнологичные датчики, предлагаемые нами превосходные пьезоэлектрические датчики на основе нановолокон обладают большим потенциалом не только для мониторинга движений человека, но и в области гуманоидной робототехники».

Чтобы облегчить внедрение этих датчиков, исследовательская группа сосредоточится на улучшении электрических выходных свойств материала, чтобы гибкие электронные компоненты могли управляться без необходимости внешнего источника питания. Будем надеяться, что дальнейший прогресс в этой области ускорит наш шаг к интеллектуальной эпохе, ведущей к более комфортной и устойчивой жизни.

2024-06-12 21:19:39


1718228495
#На #пути #новой #эре #гибких #пьезоэлектрических #датчиков #для #людей #роботов