Электронная кожа превращает давление прямо в свет

Исследователи Национального университета Сингапура сделали плёнку, у которой область нажатия сама светится: чем сильнее давите, тем ярче, а картина свечения повторяет распределение давления. Толщина около 70 мкм, разрешение около 30 мкм, диапазон до 180 кПа.

В миг нажатия пальцем гребни и ложбины отпечатка загораются на плёнке. Изображение не снимается камерой и не считывается по точкам плотной решёткой датчиков — светится сама область касания; чем сильнее нажать, тем ярче, а светящийся рисунок и есть форма распределения давления. Так работает светящаяся электронная кожа, о которой группа Национального университета Сингапура сообщила в журнале Nature Communications; название ей дали eLuminator.

От «можно ощутить» к «можно увидеть»

Опубликованная недавно работа группы Национального университета Сингапура вызвала широкий интерес. Суть прорыва в том, что без внешних электронных устройств для обработки сигнала и показа изображения давление от касания напрямую превращается в видимую картину света, и человек в реальном времени «видит» силу и форму прикосновения.

Прежде чем судить о ценности этого новшества, стоит разобраться с нынешним положением дел: подавляющее большинство электронных кож — это по сути решётка датчиков плюс внешняя электроника. Снятые решёткой сведения об осязании обязательно передаются во внешний процессор, который разбирает сигнал, а результат показывается отдельным устройством отображения. У такой схемы явные слабости: пространственное разрешение ограничено плотностью пикселей, разводка сложна, разбор сигнала не слишком эффективен, и наглядной обратной связи в реальном времени добиться трудно.

«Эта технология меняет то, как мы обращаемся со сведениями об осязании, — говорит руководитель работы профессор Лим Чви Тек с кафедры биомедицинской инженерии и из института iHealthtech Национального университета Сингапура. — Человек сразу видит распределение силы, и процесс становится куда понятнее».

eLuminator выстраивает совсем иной подход. В нём нет отдельных чувствительных пикселей: применена непрерывная беспиксельная конструкция, а основа работы — механо-электролюминесцентный отклик. При нажатии местная деформация прямо возбуждает светящийся слой, свечение прибора меняется и образует оптический рисунок, соответствующий области касания, наглядно показывая величину и форму давления.

По устройству: сверху — чувствительный к давлению проводящий слой с микроскопическими куполами или столбиками, под ним светящийся слой, а в самом низу прозрачный общий электрод. Всё вместе — сверхтонкая гибкая многослойная сборка, которая благодаря местной деформации в непрерывных слоях и природной связи силы, электричества и света даёт точную карту давления без отдельных чувствительных пикселей. Такой путь передачи не только позволяет точно, чувствительно и в широком диапазоне определять место деформации, но и меняет ёмкость на границе слоёв, объединяя в одном двухрежимном приборе наглядную оптическую отдачу и цифровое количественное измерение. Поэтому пространственное разрешение здесь определяется механикой распространения деформации, а не расстоянием между пикселями, как у обычных датчиков.

Если коротко, работа eLuminator складывается из трёх стадий. При нажатии на поверхность прибора сперва на верхнем чувствительном к давлению электроде возникает исходное распределение давления от контактирующего предмета. Затем это распределение передаётся на границу между микрокуполами и электролюминесцентным слоем. Наконец переданное давление меняет пространственное распределение электрического поля внутри светящегося слоя, вызывая в соответствующих местах излучение света — то есть картину яркости, повторяющую распределение давления.

Прорыв у eLuminator не только в самом принципе восприятия, но и в показателях.

Сверхтонкость и гибкость: толщина прибора около 70 микрометров, материалы гибкие и нетоксичные, а механические свойства близки к человеческой коже; он выдерживает деформацию свыше 100% и способен прилегать к изогнутым поверхностям тела или медицинских приборов.

Высокое разрешение и широкий диапазон: пространственное разрешение больше не связано расстоянием между пикселями и по измерениям доходит примерно до 30 микрометров, что соответствует 847 точкам на дюйм; диапазон измеряемого давления охватывает от легчайшего касания до примерно 180 килопаскалей.

Статика и динамика: поддерживается одновременное измерение постоянного и переменного давления с почти мгновенным показом и количественной оценкой силы; оптический отклик составляет около 15 миллисекунд, считывание цифрового сигнала — около 110 миллисекунд, что сочетает наглядность силового взаимодействия с количественным измерением.

Стойкость: испытания показали, что после 1000–4000 циклов повторной механической нагрузки характеристики прибора остаются устойчивыми, а это основа долгой надёжной работы в настоящих условиях.

Применения: от операционного стола до кончиков пальцев робота

Благодаря высокому разрешению, наглядности в реальном времени и гибкости eLuminator обещает многое в самых разных областях.

Особенно заметна ценность в медицине. Встроенный в хирургический инструмент, eLuminator даёт оперирующему обратную связь по давлению в реальном времени, помогая точно управлять силой, повышать точность вмешательства и снижать риск повреждения тканей; при обучении хирургии учащийся наглядно видит распределение и величину собственного усилия, что ускоряет освоение навыка. Кроме того, прибор годится для построения карты давления под стопой и раннего выявления участков, где высок риск диабетической язвы, а это важные данные для профилактики и лечения.

В робототехнике высокая чувствительность eLuminator позволяет уловить слабое касание и потому хорошо подходит для тонких манипуляций роботами и протезами. По сути это даёт роботу наглядное «осязательное зрение», помогая чувствовать силу при взаимодействии с окружением и человеком. В гибкой носимой технике технология позволяет прямо показывать сведения о касании, то есть обещает более понятные и более захватывающие способы общения человека с машиной.

Положение в отрасли: передний край науки, а до рынка ещё далеко

eLuminator представляет передний край перехода электронной кожи от пассивного восприятия к активному показу. Но путь от лабораторного результата к производству долог.

Пока работа остаётся на стадии лабораторной проверки: в статье подтверждены два направления применения — измерение давления под стопой и инструмент для лапароскопической хирургии. При этом долговременная устойчивость прибора, технология изготовления больших площадей и управление себестоимостью раскрыты недостаточно, а это именно те рубежи, которые нужно перейти по пути от научного прототипа к серийному изделию.

Коммерциализация в области электронной кожи ускоряется, но технические подходы ещё не свелись к одному. По имеющимся оценкам, в 2024 году мировой рынок электронной кожи составил 6,3 млрд долларов, а к 2034 году достигнет 30 млрд при среднегодовом темпе роста 17%. На этом быстро растущем рынке китайские производители идут каждый своим путём, и их основные решения отличаются от подхода eLuminator.

Fulai New Material (福莱新材) уже построила опытно-промышленную линию, поставила тысячу комплектов осязательных датчиков и готовит серийный выпуск третьего поколения изделий. Hanwei Technology (汉威科技): её дочерняя компания Suzhou Nengsida (苏州能斯达) имеет годовую мощность 20 млн гибких осязательных датчиков и уже поставляет электронную кожу небольшими партиями. Lushan New Material (鹿山新材) представила ионно-электронную электронную кожу с двумя режимами, которая одновременно снимает сигналы давления и температуры.

Для сравнения: основу отрасли по-прежнему составляют тензорезистивные, ёмкостные и трибоэлектрические решения с освоенным серийным выпуском, а работа Национального университета Сингапура относится к научному переднему краю следующего поколения, то есть по зрелости это разные уровни.

Заключение

Главная ценность eLuminator не в том, чтобы просто сделать электронную кожу тоньше и поднять разрешение, а в вычитании на уровне самого устройства: разрозненная цепочка «датчик — обработка сигнала — отображение» собрана в одну гибкую плёнку толщиной 70 микрометров. Когда сведения о касании можно сразу показать светом, появляется надежда на более понятные и надёжные решения в управлении усилием при операциях, в выявлении риска диабетической стопы, в замкнутом контуре осязания роботов и протезов. Этот путь — «превратить давление в свет» — только начал светиться.