Без батарейки, а працює. Вчені навчили штучну шкіру відчувати дотик завдяки революційному транзистору
Південнокорейські вчені створили штучну шкіру, яка «відчуває» дотик ще до того, як палець торкнеться поверхні.
Попит на носимі й гнучкі електронні пристрої останніми роками стрімко зростає, а разом із ним — і потреба в сенсорах, здатних працювати без зовнішнього джерела живлення.
Одним із найперспективніших рішень тут вважаються трибоелектричні наногенератори. Вони перетворюють механічний вплив на електричний сигнал завдяки перерозподілу заряду і особливо активно застосовуються для створення чутливої електронної шкіри та розумної робототехніки. Проблема лише в тому, що звичайні пристрої такого типу мали фіксовану, нерегульовану чутливість і погано інтегрувалися у великі поверхні — це суттєво обмежувало їхнє практичне застосування.
Розв’язати цю проблему взялася команда під керівництвом доцента Чекюна Кіма з факультету фотоніки й наноелектроніки Університету Ханьян у Південній Кореї. Вони розробили новий вертикально інтегрований трибтронний транзистор із двома затворами.
«Наша вертикальна архітектура з подвійним затвором не лише дає змогу регулювати підсилення трибоелектричного відгуку, а й мінімізує розмір кожного пікселя, що дозволяє щільно інтегрувати датчики на великій площі», — пояснює дослідник. Результати наукової роботи опублікували в журналі Nano Energy.
Новий пристрій побудований у вигляді шарів. Верхній рівень — трибоелектричний чутливий шар із полідиметилсилоксану (PDMS), під ним розташований спеціальний ізолятор затвора, а ще нижче — тонкоплівковий транзистор на основі оксиду індію-олова-цинку. Саме така структура забезпечує узгоджене керування чутливістю системи.
У звичайному стані нижній затвор задає базовий рівень струму, що протікає крізь мікросхему. Щоб увімкнути режим розпізнавання дотику й наближення, вона спочатку проходить фазу зарядки: пластина з нержавіючої сталі торкається поверхні PDMS, і на цьому контакті формується трибоелектричний заряд. Коли металевий елемент відходить від основи, накопичена енергія створює потенціал, який діє як напруга верхнього затвора і пригнічує струм у структурі.
Коли заряджена пластина чи інший об'єкт знову наближається до полімеру, цей потенціал поступово спадає, а внутрішній струм відновлюється — причому саме те, наскільки він відновився, і вказує на близькість стороннього тіла. Ця зміна показників є основним сигналом, який фіксує дотик або наближення. Водночас напруга нижнього затвора дозволяє електрично регулювати чутливість усієї конструкції: фахівці з’ясували, що вона зростає разом зі збільшенням цього параметра.
Експерти також показали: що сильніший тиск при контакті, то більша площа реального стикання між шаром PDMS та об'єктом, а отже — вищий заряд і сильніший відгук датчика. Розробка продемонструвала стабільний час відгуку 127 мілісекунд і час відновлення 212 мілісекунд протягом кожного циклу контакту й розділення. Після тисячі робочих циклів помітного погіршення характеристик так і не зафіксували.
Щоб перевірити систему на практиці, команда виготовила масив транзисторів розміром 10 на 10 елементів на основі запропонованої архітектури. Після початкового заряджання чутливого шару сталевою пластиною автори проєкту продемонстрували, що мережа розпізнає дотик пальця на рівні окремих пікселів, а також надійно фіксує наближення сталевого зонда на відстані до 500 мікрометрів.
«Наша розробка може посприяти створенню систем електронної шкіри, які дозволять роботам, протезам та носимій електроніці точніше сприймати дотик, тиск і наближення об'єктів», — зазначає Кім. За його словами, це відкриває шлях до безпечнішої й надійнішої взаємодії людини з машинами — зокрема у медичних роботах, системах моніторингу здоров’я та автономних технологіях.
Источник: techno.nv.ua