Искусственная кожа из графена и жидкого металла: прорыв в тактильном восприятии для роботов

Человеческий палец оснащён четырьмя типами механорецепторов, позволяющих нам одновременно воспринимать давление, вибрацию, сдвиг и текстуру исследуемого предмета. Воссоздание такой многомерной тактильной чувствительности для роботов долгое время оставалось нерешенной задачей. Исследователи из Кембриджского университета представили искусственную кожу, которая может определять не только величину, но и направление приложенных усилий, а также обнаруживать проскальзывание и оценивать шероховатость поверхности.

В основе разработки лежит мягкий гибридный композит на силиконовой основе, объединяющий нанопластины малослойного графена, микрокапли жидкого металла (эвтектический сплав галлия и индия) и игольчатые частицы никеля. Благодаря отверждению в магнитном поле никелевые частицы выстраиваются в анизотропные цепочки, а введение порообразующего агента формирует микропористую структуру материала. Такая архитектура создаёт проводящую сеть, чувствительную к направлению внешнего воздействия.

Для усиления чувствительности и обеспечения возможности разделения нормальных и касательных усилий поверхность композита структурирована в виде массива пирамидальных элементов размером от 4 мм до 200 мкм в поперечнике, имитирующих микрорельеф человеческой кожи. Каждый элемент оснащён четырьмя симметрично расположенными электродами на основании. При контакте с объектом возникающее в пирамидке асимметричное распределение напряжений отражается в различном изменении сигналов с электродов, что позволяет математически восстановить полный трёхмерный вектор приложенной силы.

Исследователи добились уникальных показателей восприятия, превосходящих все мировые аналоги. Чувствительность искусственной кожи достигает 110 кПа⁻¹ в линейном диапазоне до 500 кПа с коэффициентом детерминации выше 0,998. Погрешность измерения направления силы не превышает 2°. Для микродатчиков с размером элемента 200 мкм в поперечнике предел обнаружения усилия составляет 0,9 мкН, что на порядок ниже существующих аналогов.

В ходе экспериментов массив датчиков, интегрированный в роботизированный манипулятор, позволил зарегистрировать момент начала проскальзывания объекта по резкому падению значения касательной силы, оценивать шероховатость поверхности по амплитуде флуктуаций сигнала, вызванных микровибрациями при скольжении, а также захватывать хрупкие предметы, прикладывая усилие всего 11 мН и измеряя их массу с погрешностью 3%. Коммерческие датчики с пределом обнаружения 180 мН в аналогичных условиях деформировали объекты и не справлялись с обнаружением проскальзывания.

Источник: Nature

Канал в Max