E-whiskers kan være prøvesten for fremtiden for e-skin

De søde små knurhår, du ser på dit kæledyr, gør mere end blot at rykke yndigt. Den lange, udstående hår er faktisk berøringsreceptorer, at sende vital information om omgivelserne til hjernen og hjælpe dyrene med at forstå deres miljø.

fascineret af hårets alsidighed, University of Texas i Dallas forskere brugte formhukommelsespolymerer til at skabe kunstige, elektroniske versioner kaldet e-whiskers, som efterligner den ægte vares egenskaber. De beskriver deres arbejde i et papir, der for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer .

De hårlignende strukturer er et betydeligt fremskridt i retning af konstruktion af elektronisk menneskelig hud, ifølge forskerne, der har samlet dem.

Forseglingssensorer

"Der er nogle virkelig interessante eksempler i dyreriget på, hvordan knurhår er nyttige til at sondere og udspørge miljøet, " sagde Jonathan Reeder BS'12, Ph.D.'16, hovedforfatter af undersøgelsen, der udførte forskningen som ph.d.-studerende ved Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science.

Sæler er et godt eksempel, han sagde.

"Sæler bruger lange knurhår til meget kompleks sansning. Når de svømmer i vandet, deres whiskers føler faktisk vandstrømmen, mens de går, "sagde Reeder, som nu er postdoktor ved Northwestern University. "Der er blevet udført tests, hvor en sæl med bind for øjnene finder en fisk, der svømmer i poolen og faktisk kan spore fisken baseret på turbulens. Fisken forstyrrer vandet, vandet forstyrrer sælens knurhår, og det giver den information om, hvor fisken er. Det er 3D-strukturen af ​​knurhårene, der muliggør disse avancerede funktionaliteter."

Reeder gik på arbejde med at lave sin egen version af et whisker, sammen med sin doktorgrad mentor, Dr. Walter Voit BS'05, MS'06. Stem, en lektor i materialevidenskab og teknik og maskinteknik, er forfatter til papiret.

Konturerne af e-whiskers blev skåret ud fra et fladt ark af formhukommelsespolymer, som er stiv ved stuetemperatur, men bliver fleksibel ved opvarmning. En fleksibel belastningssensor var mønstret på toppen af ​​hvert knurhår, som havde omtrent samme diameter som et menneskehår og forblev fastgjort til lagnet.

Da forskere blæste varm luft gennem bunden af ​​udskæringerne, materialet blev blødt og bøjeligt, lader de små fingre – eller e-whiskers – rejse sig og blive tredimensionelle. Når e-whiskers var samlet, forstyrrelser forårsagede ændringer i belastningssensorens modstand, der muliggjorde den nøjagtige sporing af hver e-whisker-position.

"Vi har skabt nogle af de højeste tætheder af e-whiskers til dato, " sagde Voit. "Når du har mange sensorer som denne, der kan trækkes hen over en overflade, du kan derefter bruge dem til at måle mange interessante egenskaber. Vores e-whiskers var i stand til at detektere kraft, tryk, nærhed, temperatur, stivhed og topografi. Når de børster op mod - eller pisker over - forskellige materialer, de efterligner menneskelig huds sanseevne."

Replikering af hudfunktioner

Forskerne sagde, at robotteknologi og proteser kunne være to af de største anvendelser for e-whiskers.

"Mange robotter indsamler allerede taktil information fra deres fysiske miljø. traditionelle sensorer mangler kompleksiteten og rigdommen af ​​menneskelig berøring. Med e-whiskers, vi kan øge den type information, der kan opnås, når en sensor græsser hen over en overflade, " sagde Reeder. "I robotteknologi, e-whiskers kunne replikere funktionaliteterne af menneskelig hud ved at bestemme, hvad der er hårdt og blødt, varm og kold, glat og ru. De kunne tillade robotten at identificere objekter og interagere sikkert med dem, gør robotterne mere 'menneskevenlige'."

Integrering af e-whiskers med en protese kan være vanskeligere.

"Integration af elektroniske sensorer direkte med biologi er den mest overbevisende anvendelse, men giver en række hårde udfordringer, " sagde Reeder. "Nemlig, hvordan man oversætter elektroniske signaler genereret af sensoren til nervesystemets 'sprog' og hvordan man danner en stabil mekanisk og elektrisk kobling mellem det fleksible elektroniske og det bløde væv."

Ultimativt, forskerne vil gerne ikke kun kopiere den menneskelige funktion med proteser, men forbedre det.

"E-whiskers følsomhed over for ændringer i overfladetopologi og temperatur, samt sensorernes responstid, alle overstiger menneskelig huds evner med mindst en størrelsesorden, "Reeder sagde." Det er ikke umuligt for en person med en protese faktisk at have en bedre følsomhed end med den menneskelige hånd. "

Andre UT Dallas -forskere, der var involveret i arbejdet, var maskiningeniørstuderende Tong Kang og bacheloringeniørstuderende Sarah Rains.