Работает без батарейки. Ученые научили искусственную кожу чувствовать прикосновения благодаря революционному транзистору
Южнокорейские ученые создали искусственную кожу, которая «чувствует» прикосновение еще до того, как палец коснется поверхности.
Спрос на носимые и гибкие электронные устройства в последние годы стремительно растет, а вместе с ним — и потребность в сенсорах, способных работать без внешнего источника питания.
Одним из наиболее перспективных решений в этой области считаются трибоэлектрические наногенераторы. Они преобразуют механическое воздействие в электрический сигнал за счет перераспределения заряда и особенно активно применяются для создания чувствительной электронной кожи и интеллектуальной робототехники. Проблема, однако, заключается в том, что обычные устройства такого типа обладали фиксированной, нерегулируемой чувствительностью и плохо интегрировались в большие поверхности, что существенно ограничивало их практическое применение.
Решить эту проблему взялась команда под руководством доцента Чекюна Кима с факультета фотоники и наноэлектроники Университета Ханьян (Южная Корея). Они разработали новый вертикально интегрированный триботронный транзистор с двумя затворами.
«Наша вертикальная архитектура с двойным затвором не только позволяет регулировать усиление трибоэлектрического отклика, но и минимизирует размер каждого пикселя, что дает возможность плотно интегрировать датчики на большой площади», — объясняет исследователь. Результаты научной работы были опубликованы в журнале Nano Energy .
Новое устройство имеет слоистую структуру. Верхний уровень представляет собой трибоэлектрический чувствительный слой из полидиметилсилоксана (PDMS); под ним расположен специальный изолятор затвора, а еще ниже — тонкопленочный транзистор на основе оксида индия-олова-цинка. Именно такая структура обеспечивает согласованное управление чувствительностью системы.
В обычном состоянии нижний затвор задает базовый уровень тока, протекающего через микросхему. Для включения режима распознавания касания и приближения она сначала проходит фазу зарядки: пластина из нержавеющей стали касается поверхности PDMS, и в месте контакта формируется трибоэлектрический заряд. Когда металлический элемент удаляется от основания, накопленная энергия создает потенциал, который действует как напряжение на верхнем затворе и подавляет ток в структуре.
Когда заряженная пластина или иной объект снова приближается к полимеру, этот потенциал постепенно снижается, а внутренний ток восстанавливается — причем именно степень его восстановления указывает на близость постороннего тела. Это изменение показателей служит основным сигналом, фиксирующим прикосновение или приближение. В то же время напряжение на нижнем затворе позволяет электрически регулировать чувствительность всей конструкции: специалисты установили, что она возрастает по мере увеличения этого параметра.
Эксперты также показали: чем сильнее давление при контакте, тем больше площадь фактического соприкосновения между слоем PDMS и объектом, а следовательно — выше заряд и сильнее отклик датчика. Разработка продемонстрировала стабильное время отклика 127 миллисекунд и время восстановления 212 миллисекунд в каждом цикле контакта и разделения. После тысячи рабочих циклов заметного ухудшения характеристик зафиксировано не было.
Для проверки системы на практике команда изготовила массив транзисторов размером 10 на 10 элементов на основе предложенной архитектуры. После первоначальной зарядки чувствительного слоя стальной пластиной авторы проекта продемонстрировали, что сеть распознает прикосновение пальца на уровне отдельных пикселей, а также надежно фиксирует приближение стального зонда на расстоянии до 500 микрометров.
«Наша разработка может способствовать созданию систем электронной кожи, которые позволят роботам, протезам и носимой электронике точнее воспринимать прикосновения, давление и приближение объектов», — отмечает Ким. По его словам, это открывает путь к более безопасному и надежному взаимодействию человека с машинами — в частности, в сфере медицинских роботов, систем мониторинга здоровья и автономных технологий.
