Китайские ученые создали датчики давления нового типа, вдохновленные механизмами восприятия скорпионов. Эти устройства демонстрируют высокую чувствительность и способность работать в широком диапазоне давлений одновременно.
В настоящее время перед разработчиками датчиков давления стоит техническая проблема: невозможно одновременно достичь высокой чувствительности и широкого диапазона измерений. Кремниевые пьезорезистивные датчики, широко применяемые в медицине, промышленности и робототехнике, требуют выбора между этими характеристиками. Повышение чувствительности обычно приводит к ухудшению линейности измерений и ограничению рабочего диапазона.
Живые организмы за миллионы лет эволюции развили эффективные решения для выживания. Скорпионы с плохим зрением обладают точной механосенсорной системой: волоски-трихоботрии улавливают воздушные потоки, а щелевидные сенсиллы на панцире воспринимают вибрации.
Исследователи из Цзилиньского университета изучили эти органы. Щели на панцире концентрируют механическую энергию в шесть раз эффективнее окружающих тканей. Трихоботрии имеют когтеобразную структуру у основания, что обеспечивает высокую точность восприятия. Ученые воспроизвели сенсоры в кремниевом чипе: на верхней стороне разместили «ловушки напряжений» вокруг пьезорезисторов для усиления чувствительности, а на нижней – элементы подавления изгиба для повышения точности измерений.
Компьютерное моделирование показало преимущества биоинспирированной конструкции мембранных структур. Они обеспечивают максимальную концентрацию напряжений при минимальных деформациях, снижая прогиб на 31%. Эксперименты подтвердили высокие характеристики нового датчика с чувствительностью 65,56 мВ/В/кПа, коэффициентом линейности 0,99934, временем отклика 10 мс и восстановления 4 мс. Датчик сохраняет стабильность после 20000 циклов.
Датчики различают ламинарный, переходный и турбулентный потоки и распознают объекты с точностью свыше 85% благодаря машинному обучению. На шестиногого робота установили четыре датчика, обучив его избегать крупные объекты и приближаться к мелким. Робот реагировал на коробки разного размера, движущиеся со скоростью 0,25 м/с. Малые объекты вызывали сигнал 22,6 мВ, заставляя робота поворачиваться, крупные – сигнал 100,8 мВ, вызывая отступление.
Новые датчики для робототехники и медицины работают в темноте, дыму и тумане, улучшая навигацию и мониторинг слабых сигналов. Планируется установка на изогнутые поверхности гуманоидов, что требует решения инженерных задач по предотвращению помех между датчиками.
Источник: naked-science.ru
распечатать статью
