Kako se krećemo u svet u kojem interakcije ljudi i mašina postaju sve istaknutije, senzori pritiska koji su u stanju da analiziraju i simuliraju ljudski dodir će verovatno rasti.
Jedan izazov sa kojim se suočavaju inženjeri je teškoća u pravljenju vrste isplativog, visoko osetljivog senzora neophodnog za aplikacije kao što su otkrivanje suptilnih impulsa, upravljanje robotskim udovima i kreiranje skala ultra visoke rezolucije. Međutim, tim istraživača je razvio senzor sposoban da izvrši sve te zadatke.
Istraživači sa Pen Stejta i Tehnološkog univerziteta Hebei u Kini, želeli su da stvore senzor koji je bio izuzetno osetljiv i pouzdano linearan u širokom spektru aplikacija, imao je visoku rezoluciju pritiska i bio u stanju da radi pod velikim predopterećenjima.
„Senzor može detektovati mali pritisak kada se već primenjuje veliki pritisak“, rekao je Huaniu „Larri“ Cheng, James L. Henderson Jr. Memorijal vanredni profesor inženjerskih nauka i mehanike u Penn State i koautor rada o radu objavljeno u Nature Communications .
„Analogija koju volim da koristim je kao da detektujem muvu na vrhu slona. Može da izmeri i najmanju promenu pritiska, baš kao što naša koža radi dodirom.“
Čeng je bio inspirisan da razvije ove senzore zbog veoma ličnog iskustva: rođenja njegove druge ćerke. Zasluge: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38040-4
Čengova ćerka je izgubila 10% svoje telesne težine ubrzo nakon rođenja, pa ga je doktor zamolio da izmeri bebu svaka dva dana kako bi pratio svaki dodatni gubitak ili povećanje telesne težine. Čeng je to pokušao da uradi tako što se vagao na običnoj kućnoj vagi, a zatim se vagao držeći ćerku da izmeri težinu bebe.
„Primetio sam da kada sam spustio ćerku u njeno ćebe, kada je više nisam držao, nisi primetio promenu u težini“, rekao je Čeng. „Dakle, saznali smo da pokušaj korišćenja komercijalne skale ne funkcioniše, nije otkrio promenu pritiska.
Nakon što su isprobali mnogo različitih pristupa, otkrili su da je korišćenje senzora pritiska koji se sastoji od gradijentnih mikro-piramidalnih struktura i ultratankog jonskog sloja za davanje kapacitivnog odgovora najviše obećavalo.
Međutim, postojao je stalni problem sa kojim su se suočavali. Visoka osetljivost mikrostruktura bi se smanjivala kako se pritisak povećavao, a nasumične mikrostrukture koje su napravljene od prirodnih objekata rezultirale su nekontrolisanom deformacijom i uskim linearnim opsegom. Jednostavno rečeno, kada se pritisak primeni na senzor, on bi promenio oblik senzora i samim tim promenio kontaktnu površinu između mikrostruktura i odbacio očitanja.
Da bi odgovorili na ove izazove, naučnici su dizajnirali obrasce mikrostrukture koji bi mogli da povećaju linearni opseg bez smanjenja osetljivosti – u suštini su ga učinili fleksibilnim, tako da bi i dalje mogao da funkcioniše u gradijenciji pritisaka koji postoje u stvarnom svetu. Njihova studija je istraživala upotrebu CO 2 lasera sa Gausovim snopom za proizvodnju programabilnih struktura kao što su gradijentne piramidalne mikrostrukture (GPM) za jonotronske senzore, koji su mekana elektronika koja može da oponaša funkcije percepcije ljudske kože.
Ovaj proces smanjuje troškove i složenost procesa u poređenju sa fotolitografijom, metodom koja se obično koristi za pripremu delikatnih uzoraka mikrostrukture za senzore.
Čeng smatra Ruoksija Janga, diplomiranog studenta u svojoj laboratoriji i prvog autora studije, kao pokretača ovog rešenja.
„Jang je veoma pametan student koji je predstavio ideju da se reši ovaj problem sa senzorom, koji je zaista nešto poput kombinacije mnogo malih delova, pametno dizajniranih zajedno“, rekao je Čeng.
„Znamo da struktura mora biti mikrorazmerna i da ima delikatan dizajn. Ali je izazovno dizajnirati ili optimizovati strukturu, a ona je radila sa laserskim sistemom koji imamo u našoj laboratoriji da bi to omogućila. Ona je veoma naporno radila u proteklih nekoliko godina i bio u mogućnosti da istraži sve ove različite parametre i da brzo pregledam ovaj prostor parametara da pronađemo i poboljšamo performanse.“
Ovaj optimizovani senzor je imao brz odziv i vreme oporavka i odličnu ponovljivost, što je tim testirao otkrivanjem suptilnih impulsa, radom interaktivnih robotskih ruku i kreiranjem pametnih vaga i stolica ultra visoke rezolucije.
Naučnici su takođe otkrili da se predloženi pristupi proizvodnji i alati za dizajn iz ovog rada mogu iskoristiti da se lako podese performanse senzora pritiska za različite ciljne aplikacije i da se otvore mogućnosti za kreiranje drugih jontronskih senzora, opsega senzora koji koriste jonske tečnosti kao što je ultratanki jonski sloj. Uz omogućavanje buduće vage u kojoj bi roditeljima bilo lakše da mere svoju bebu, ovi senzori bi imali i drugu upotrebu.
„Takođe smo bili u mogućnosti da otkrijemo ne samo puls sa ručnog zgloba, već i iz drugih distalnih vaskularnih struktura kao što su obrva i vrh prsta“, rekao je Čeng. „Pored toga, kombinujemo to sa kontrolnim sistemom kako bismo pokazali da je ovo moguće koristiti za budućnost interakcijske saradnje među ljudima. Takođe, predviđamo i druge upotrebe u zdravstvu, kao što je neko ko je izgubio ud i ovaj senzor bi mogao biti deo sistema koji im pomaže da kontrolišu robotski ud.“
Čeng je primetio i druge potencijalne upotrebe, kao što su senzori za merenje pulsa osobe tokom radnih situacija sa visokim stresom, kao što su traganje i spasavanje nakon zemljotresa ili izvođenje teških, opasnih zadataka na gradilištu.
Istraživački tim je koristio kompjuterske simulacije i kompjuterski potpomognut dizajn kako bi im pomogao da istraže ideje za ove nove senzore, za šta Čeng napominje da je težak posao s obzirom na sva moguća senzorska rešenja. Ova elektronska pomoć će nastaviti da gura istraživanje napred.
„Mislim da je u budućnosti moguće dodatno poboljšati model i moći da uzmemo u obzir složenije sisteme i tada ćemo sigurno razumeti kako da napravimo još bolje senzore“, rekao je Čeng.
