Благодаря пьезо-фототронике создан массив чувствительных датчиков, напоминающий кожу
 Схематическое изображение и принцип работы разработанного массива датчиков. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
В отличие от зрения, слуха, обоняния и вкуса, способность человека чувствовать прикосновения до сих пор достаточно трудно имитировать в лабораторных условиях. Хорошая искусственная кожа должна быть очень чувствительна к прикосновению даже на малых масштабах (порядка 50 мкм), кроме того, она должна быстро реагировать на приложенное давление. На сегодняшний день ученым уже удалось создать массивы датчиков для так называемой электронной кожи, состоящих из нанопроводов и микроструктурированных резиновых слоев, изменяющих емкость или сопротивление в ответ на внешнее давление. Однако эти материалы пока способны демонстрировать распределение давления на масштабах не менее нескольких миллиметров (в лучшем случае), чего для полноценного внедрения технологии явно не достаточно.
Благодаря огромной проделанной работе группе исследователей из Georgia Institute of Technology (США) удалось найти путь решения этой проблемы. Ученые разработали первые массивы датчиков силы (давления), способные отображать деформации на масштабах менее 3 микрон. Плотность «пикселей» нового устройства чрезвычайно высока – около 6350 точек на дюйм (что в 1000 раз лучше, чем у любого ранее созданного датчика). При этом каждый пиксель состоит из отдельного светодиода, построенного на основе нанопроводов из оксида цинка, выращенных на подложке из нитрида галлия (p-типа). Такой пиксель чувствителен к локально приложенному давлению, силе и деформации благодаря так называемому эффекту пьезо-фототроники.
Пьезоэлектрические материалы демонстрируют поляризацию вдоль одного из направлений, подвергаясь механической деформации, поскольку симметрия кристаллов нарушается. Устройства пьезофототроники базируются на том же принципе контроля электронного транспорта и рекомбинации поляризационных зарядов, присутствующих на концах отдельных наноструктур, прилегающих к pn-переходу (где генерируется свет).
Стоит отметить, что свет, исходящий от каждого пикселя созданного массива, зависит от приложенного давления. Этот сигнал может быть легко интегрирован в фотонные схемы для быстрой передачи и последующей обработки. Такой подход, кстати, позволяет получить одновременно информацию о давлении на все пиксели, а не снимать данные последовательно, как этого требуют предложенные другими научными группами структуры с электродами. Это означает, что конечный сигнал может быть получен гораздо быстрее, нежели в традиционных системах на основе пьезо-сопротивления или эффекта изменения емкости.
Как считают ученые, предложенный ими подход является важным шагом в направлении развития цифровых изображений механического сигнала с помощью оптических инструментов. Потенциально технология применима не только в научной среде, но и в быту, к примеру, в тачпадах, для чтения персональной подписи, системах отображения биологических структур, оптомеханических устройствах. Подобные массивы датчиков вполне могут изготавливаться на гибких подложках (ведь нанопровода из оксида цинка можно выращивать на любой поверхности при помощи низкотемпературных растворов), соответственно, для массива датчиков открывается еще множество возможных применений.
Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Photonics.
Также по теме:
- Электронная кожа может светиться от прикосновения
- Наномембраны из кремния могут обеспечить восстановление утраченной чувствительности пальцев и множество интересных дополнительных функций
- Осциллирующий гель может стать материалом, из которого будут делать искусственную кожу, аналогичную естественной
- Упругие углеродные нанотрубки позволяют делать датчики, похожие на кожу
- Открыты белки – инициаторы регенерации клеток кожи
Источники: