Исследовательская группа из Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) разработала ультратонкую прозрачную электронную кожу, способную обнаруживать и отслеживать магнитные поля с помощью единого глобального датчика. Эта разработка может изменить робототехнику, носимые технологии и взаимодействие человека и машины.
Электронная кожа (e-skin) стремится расширить естественное человеческое восприятие, например, создавая магниточувствительность для взаимодействия с магнитными полями. Однако реализация такой кожи с непрерывным пространственным восприятием на больших поверхностях затруднена из-за роста энергопотребления с увеличением разрешения.
Исследователи внедрили эффект гигантского магнетосопротивления и томографию электрического сопротивления, что позволило добиться непрерывного обнаружения магнитных полей на площади 120 × 120 мм² с разрешением менее 1 мм. Такой подход обеспечивает на три порядка меньшее энергопотребление по сравнению с современными матрицами на транзисторной основе. Упрощённая схема придаёт устройству оптическую прозрачность, механическую гибкость и проницаемость для пара и жидкостей, что позволяет его незаметную интеграцию на кожу.
Основные требования к электронной коже
Идеальная электронная кожа должна сочетать в себе:
Гибкость, визуальную прозрачность и проницаемость для жидкостей/пара.
Способность к непрерывному восприятию на больших поверхностях.
Высокое разрешение для точного взаимодействия.
Энергоэффективность, обеспечивающую длительное использование.
Сохранение работоспособности даже в сложных условиях (например, при высокой влажности или под одеждой).
Способность снижать риск инфекций, что особенно важно для медицинских и долгосрочных приложений.
Несмотря на значительный прогресс в разработке сенсорных покрытий, объединение всех этих характеристик в одном устройстве остаётся сложной задачей.
Магниторецепция — способность воспринимать магнитные поля, используемая многими видами для ориентации, — была добавлена в арсенал сенсорных функций электронной кожи. Разработаны различные магниточувствительные элементы, такие как GMR, MTJ, AMR, спин-клапаны, магнитоимпедансные и датчики Холла. Эти технологии позволяют исследовать механизмы когнитивного восприятия и создавать новые способы взаимодействия.
Благодаря бесконтактному характеру магнитного взаимодействия и устойчивости к внешним помехам такие датчики подходят для интеграции в электронную кожу. Однако остаются нерешённые проблемы:
обеспечение непрерывного и бесшовного восприятия магнитного поля на больших поверхностях,
повышение разрешения,
снижение энергопотребления.
Недавние исследования демонстрируют возможность создания активных магниточувствительных матриц, но их масштабируемость ограничена сложностью структуры, увеличением числа электрических контактов и высоким энергопотреблением. Многослойные схемы также могут ухудшать механические, визуальные и проницаемые свойства кожи.
Биологическое вдохновение и инновации
Природа часто предлагает изящные решения сложных задач. Например, пауки и электрические угри воспринимают изменения в окружающей среде, используя простые сенсорные структуры. Вдохновившись этим, был разработан магниторецептор, состоящий из единого магниточувствительного слоя с 16 измерительными электродами (возможны варианты с 8 или 32).
Комбинируя эффект гигантского магнетосопротивления и томографию электрического сопротивления, магниторецептор обеспечивает:
непрерывное восприятие магнитных полей на площади 120 × 120 мм²,
разрешение менее 1 мм,
низкое энергопотребление, сниженное в 500 раз по сравнению с активными матрицами.
Простая схема сохраняет прозрачность, гибкость и проницаемость, делая магниторецептор незаметным при ношении. Вместо фиксации отдельных показаний этот подход анализирует распределение электрического сопротивления по всей поверхности, что позволяет детектировать магнитные стимулы в реальном времени.
Перспективные приложения
Магниточувствительная электронная кожа открывает новые возможности для:
сенсорного взаимодействия в виртуальной и дополненной реальности,
бесконтактного распознавания движений и ориентации,
интеграции в медицинские устройства и носимые технологии.
Примеры включают электронную кожу для точного распознавания жестов и магниточувствительные контактные линзы для гигиеничного бесконтактного управления.
