Что такое умная кожа
Обновлено: 19.04.2024
Как-то Вивьен Вествуд на вопрос о моде сказала, что все придумано до нас и остается лишь использовать чужие мысли и новейшие технологии.
Что мы знаем об искусственных цветах? Да, верно, уже все на свете. Какое огромное количество техник и подходов существует в настоящее время! И не счесть! Если говорить о тонкой ручной работе, то и тут – великое множество техник и способов их изготовления, ведь каждый мастер привносит что-то свое, наматывает на веретено времени свое видение и умение, делится этим с миром, растет сам и передает свои знания дальше.
Иногда кажется, что твое искусство предельно, что функционал материала изучен тобой и твоими предшественниками полностью, и именно в такие моменты Вселенная подбрасывает нам невероятные сюрпризы, заставляющие влюбляться в свою профессию с каждым днем все больше и больше, видеть потрясающие перспективы, понимать, что ограничений нет и с ростом технологий у ручного труда каждый день появляются шансы стать еще более креативным, более сложным и невероятно притягательным.
И сегодня мы объявляем о новинке: о новой сенсационной технологии, способной свести с ума целую армию мастеров, особенно всех тех, кто занимается изготовлением цветов и аксессуаров из кожи.
«УМНАЯ КОЖА» – это потрясающий тандем тончайшего спилка, который только появляется на российском рынке, и специально разработанных для этого материала присадок, способных придавать ему удивительные формы.
Эта кожа будет интересна не только мастерам, предпочитающим работать с кожей, она определенно заинтересует и тех, кто занимается цветами из ткани. Для нас (а я причисляю и себя в эту категорию мастеров) открываются невероятные горизонты! Этот чудо-материал передает фактуру ткани и гораздо более пластичен, чем многие из них, он великолепно окрашивается, обрабатывается и может стать потрясающим дополнением к нашим изделиям. То, что возможно сделать из тончайшей кожи, зачастую невозможно сделать из ткани… Она более пластичная, отлично держит форму и в нашем деле имеет сногсшибательные перспективы. Я уже не говорю о вышивке, эта кожа… гениальна!
Итак, представляю вашему вниманию розу «Валенсия», изготовленную из тончайшего спилка с применением дополнительных средств обработки кожи. Эта роза изготовлена в любимой нами стилистике somebana, частично обработана вручную и инструментарно. На нашем вебинаре вы приобретете базовые знания о работе с новым материалом, научитесь красить кожу, увидите специфику ее обработки. Мы поговорим и о перспективах развития цветоделия.
Мы опять стоим у истоков новейшей техники! И как приятно осознавать, что вы первые познакомитесь и начнете осваивать эту поистине удивительную технологию, таящую в себе множество сюрпризов.
Весь современный хайтек, будь то робототехника или новые технологии в медицине, авиация или системы вооружений, опирается на двух «китов»: программное обеспечение и новые материалы с их необыкновенными свойствами и фантастическими возможностями. И прогресс в области «харда» зачастую не менее впечатляющ, чем достижения разработчиков «софта».
Аббревиатура МЭМС — микроэлектромеханические системы — давно вошла в инженерно-конструкторский обиход. Под МЭМС обычно подразумеваются устройства, которые соседствуют с интегральными микросхемами, работают под их управлением, но заняты не вычислениями, а взаимодействием с физическими проявлениями окружающей среды. Это могут быть датчики или микроскопические актуаторы, они же исполнительные механизмы.
Идея есть — нужны технологии
Как правило, МЭМ-приборы реализуют на подложках из жесткого материала (кремний, стекло ). Однако во многих областях уже давно возникают задачи, требующие установления датчиков, исполнительных устройств или электронных схем на поверхностях объектов сложной формы, например на человеческом теле, для чего необходимо применение гибких (конформных) подложек. В этой связи можно упомянуть тактильные датчики, фиксируемые на пальце или в каком-либо другом месте руки. Еще один пример — измерение распределения давления, касательного механического напряжения или иной физической величины на неплоской поверхности, когда требуется, например, контролировать в реальном времени течение жидкостей или газов и управлять ими. МЭМ-датчики на гибкой подложке получили название МЭМ-обшивки (MEMS skin). Такая «умная кожа» в будущем сможет отслеживать, к примеру, параметры обтекания крыла набегающим потоком и слегка изменять форму аэродинамической плоскости с целью снижения лобового сопротивления.
Звучит все это заманчиво и перспективно, но на самом деле далеко не все вопросы материального воплощения таких интеллектуальных конструкций решены и простора для конструкторской мысли в этой области предостаточно.
В правой колонке показаны примеры создания «островков» с помощью разных технологий травления кремния. Травление кислотами оставляет округлую выемку и хрупкие края «островков». Более эффективно анизотропное (учитывающее кристаллографические направления материала) травление, образующее сходящиеся стенки. Нижний рисунок показывает сочетание анизотропного с реактивно-ионным травлением, что создает наиболее оптимальную форму «островков». В левой колонке показаны профили разных видов «умной обшивки», где многослойный «сэндвич» подвергается травлению с обеих сторон с помощью сочетания разных технологий.
Для изготовления миниатюрных гибких конструкций, сочетающих в себе электронно-вычислительные и электронно-механические микроприборы, разработано несколько методов. Самый очевидный — формирование нужного набора устройств непосредственно на гибкой подложке по аналогии с изготовлением тонкопленочных транзисторов на подложке из пластика, полимера или металла. Этот подход не требует значительных затрат и позволяет получать структуры большой площади. Но есть одно «но»: гибкие подложки очень чувствительны к высоким температурам, и если технология нанесения «кожи» предполагает нагрев, то всю конструкцию можно испортить. Непригодны здесь и технологии изготовления измерительных преобразователей с применением высокотемпературных процессов и жестких материалов, таких как монокристаллический кремний. Более того, в таком случае может оказаться невозможным и формирование электронных схем с использованием обычных промышленных технологий. А схемы новых технологий на основе аморфного кремния и электропроводящих полимеров, несмотря на большой объем исследований в данной области, не смогут в обозримом будущем сравняться по степени интеграции и рабочим характеристикам со схемами на монокристаллическом кремнии.
Еще одна проблема, стоящая перед разработчиками МЭМ-обшивок, это влияние механического напряжения, возникающего при изгибе подложки. Одно дело, когда подложка имеет вид гибкого листа, а другое — когда она нанесена на некую искривленную поверхность. В этом случае на сгибах могут возникать трещины, причем не только в самом материале подложки, но и в активных элементах, что вряд ли благоприятно отразится на их работоспособности.
Сэндвич для модулей
Свой весьма перспективный вариант технологии создания «умной кожи» предложили в лаборатории размерной микрообработки (Micromachining Lab) Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology). Новый метод изготовления МЭМ-обшивок с размещением МЭМ-приборов и интегральных схем на подложке из кремния выглядит следующим образом. Вначале всю схему монтируют обычным образом на общей кремниевой пластине. Затем поверхность пластины покрывают слоем полимера, в котором выкраивают места для металлических контактных площадок, а при необходимости и для самих МЭМ-приборов и интегральных схем. После этого уменьшают толщину пластины с ее нижней стороны и формируют матрицы из кремниевых «островков». Это делается путем селективного протравливания с нижней стороны глубоким реактивным ионным травлением. Последняя операция — герметизация кремниевых «островков» снизу и опять же путем нанесения слоя полимера. В итоге получается некий сэндвич из двух слоев гибкого полимера, внутри которого находится разбитая теперь на микромодули пластина. Разумеется, «островки» сохраняют связь между собой. Важно, что микромодули остаются достаточно жесткими, что исключает воздействие на них механических напряжений при изгибах МЭМ-обшивки. Вместе с тем «островки» очень малы и на гибкость обшивки не влияют. Самое важное достоинство рассматриваемого метода — совместимость с современными технологиями производства МЭМ-приборов и интегральных схем, поскольку они формируются на кремниевой пластине еще до начала изготовления собственно обшивки. Это позволяет легко использовать отработанные решения из области кремниевой микросхемотехники датчиков и вычислителей.
С помощью данного метода, например, созданы МЭМ-обшивки в виде одномерной матрицы из 36 датчиков для измерений касательного механического напряжения в задачах обнаружения срыва потока. Такие обшивки можно фиксировать на полуцилиндре диаметром в 12,7 мм с равномерным распределением датчиков с шагом в 5° на его направляющей линии. Эти МЭМ-обшивки уже успешно прошли летные испытания на беспилотном летательном аппарате с размахом крыла в 2,1 м. В частности, была получена картина распределения потока на передней кромке крыла в реальном времени.
Первые образцы «умной обшивки», представляющих собой массив микроэлектромеханических сенсоров, фиксирующих напряжение сдвига, устанавливаются на крыло БПЛА. В будущем такие покрытия включат в себя не только МЭМ-элементы, но и управляющую электронику, а обшивка обретет новые функции.
Как уже говорилось, эти работы были выполнены в Лаборатории размерной микрообработки (Micromachining Lab) Калифорнийского технологического института. В настоящее время в Университете округа Уэйн (Wayne State University) исследуется ряд новых применений метода изготовления интеллектуальных обшивок, включая интеллектуальный текстиль.
Кроме того, была предложена и продемонстрирована технология изготовления гибких обшивок, совместимая с технологией КМДП-схем (логических схем на комплементарных полевых транзисторах) на структурах типа «кремний на диэлектрике» (КНД). По этой технологии сначала на КНД-пластине формируются интегральные схемы и МЭМ-приборы стандартными способами КМДП и МЭМ. Затем формируется полимерный сэндвич.
Можно считать, что подобные технологии сыграют свою роль в создании перспективных медицинских имплантатов, носимых датчиков и интеллектуального текстиля. Совместимость технологических процессов с КМДП- и МЭМ-технологиями позволяет надеяться на скорое появление многофункциональных интеллектуальных обшивок со встроенными высококачественными датчиками и управляющей электроникой, пригодных для самых различных применений, включая летательные аппараты. Именно тогда электронная «кожа» станет по-настоящему «умной».
Слово "перфекционист" чаще всего употребляют в положительном смысле. Говоря "Я — перфекционист во всем!" или "В работе он — перфекционист", люди хотят подчеркнуть свои или чужие достоинства, стремление сделать все идеально. На самом деле если человек действительно перфекционист, то, скорее всего, в жизни он сталкивается с серьезными проблемами, которые могут сказаться на его психическом и физическом здоровье.
"Перфекционизм имеет несколько стадий. Первая, в которой можно провести всю жизнь, — стремление делать все наилучшим образом, идеально, и в этом нет ничего плохого, ведь это помогает добиваться поставленных целей, успехов, — объясняет психолог Михаил Хорс. — Но значимая часть перфекционистов уходит на следующую стадию, когда перфекционизм уже становится болезнью, переходит в патоперфекционизм, неврастеническую форму, когда стремление к совершенству переходит во все сферы жизни, на этом этапе появляется страдание, боль, если добиться идеала не получается. Патоперфекционист будет страдать, переживать, если появится угроза тому, что он сможет сделать дело наилучшим образом. Раздражаться, бояться, тревожиться, даже если еще ничего не случилось, испытывать неприятные психические состояния, и они будут забирать его ресурсы сил, и сил не хватит для реализации своих стремлений".
Психолог сравнивает состояние перфекциониста, потерпевшего неудачу, с ломкой наркомана. Жизнь для него становится серой, кажется неправильной.
"Здоровая личность, если у нее не получилось, задает себе вопросы: "Почему не получилось?", "Какие я совершил ошибки?", "Каких ресурсов не хватило?", потом задает вопрос: "Как мне эти ресурсы взять?", "Как не совершать такие ошибки?" — встает, отряхивается и дальше идет к своей цели. У перфекциониста не так. Он летит к своей цели и иногда добивается за счет того, что берет ее нахрапом, но если не получается, он страдает".
Страдания перфекционист испытывает довольно часто не только из-за собственных неудач, но и потому, что он зависим от внешних обстоятельств, на которые не может повлиять.
"Часто такое состояние называют синдромом отличника, и справедливо: как правило, перфекционисты проявляют себя уже в школе, иногда даже в детском саду", — расссказывает врач-психиатр Михаил Гордеев.
Социально одобряемый перфекционизм на деле не так хорош: людям с завышенными требованиями к себе и окружающим трудно и на работе, и в личной жизни.
"Ошибочно думать, что перфекционисты — это прирожденные начальники. Часто это плохие руководители, — считает Михаил Гордеев. — Во-первых, потому, что такой начальник требует с подчиненных сверх меры, и у него возникают проблемы с персоналом — люди не выдерживают стандартов начальника, его придирок и уходят. А во-вторых, потому что перфекционист, понимая, что руководит идиотами, взваливает на себя ту работу, которую должен был бы делегировать другим, так как уверен, что никто не сделает ее так хорошо, как он. В результате он надрывается, перегружается".
Еще одна проблема перфекционистов — сроки. Он может выполнить задание идеально, но потратит на него гораздо больше времени и сил, чем коллеги.
"Помогите научить их жить правильно"
Ситуация, когда на работе человек требователен к себе и персоналу, стремится к идеалу, а в личной жизни с ним легко уживаться, по мнению психологов, редка. Чаще всего проблемы распространяются и на семейные, и межличностные отношения. Михаил Гордеев утверждает, что таким людям сложно создать пару и сохранить семью.
"Для них понятие "строить семью" означает не создавать, а муштровать, подстраивать под себя. И до какого-то момента партнер терпит, потому что вначале — букетный период, любовь, эмоции, рождаются дети, а потом сил не остается.
Перфекционисты часто приходят к психологу с запросом: "Помогите мне научить их жить правильно". И для них может быть ударом, они могут даже уйти с терапии, когда поймут, что я ничего объяснять не буду, что моя задача — это не найти правого или неправого, а помочь им разобраться. Приходится их поначалу выводить из боевых стоек
"Панические атаки являются следствием перегруженности нервной системы, — объясняет психолог Михаил Хорс. — Зависимости — следствие избегания реальности, в которой человек испытывает постоянную боль. При этом он не считает, что его перфекционизм — это проблема. И задача психолога — показать ему причину. К сожалению, современные подходы многих моих коллег — это работа со следствиями, которые убирают таблетками, теми же антидепрессантами. А они никак на перфекционизм не повлияют, они влияют на симптом, а не на источник боли. И через какое-то время проблемы вернутся".
Усиливает тревожность перфекционистов культ успеха и идеи безграничности возможностей, которые активно пропагандируются известными коучами, считает психолог.
"Например, Тони Роббинс и многие его коллеги учат, что планки возможностей нет. Я не согласен с этим, у каждого человека есть ограничения. Да, мы стараемся, выкладываемся, работаем, но хочется напомнить, что не все в жизни от нас зависит. А бывает, что препятствие в нас самих — страхи, комплексы, незнание чего-то, — они также нас останавливают. Больше половины европейского населения сидит на антидепрессантах, потому что их так накачали, будто они могут все, что они должны улыбаться, быть вечно счастливыми, энергичными, успешными, а они — живые люди. Люди не могут быть вечно счастливы. Современный и популярный подход к тому, что человек не может быть в отрицательных состояниях, приводит к тому, что он запрещает себе их, противоречит своей сущности".
На терапии перфекционисты учатся спокойно относиться к несовершенствам окружающих, мириться с тем, что мир устроен не так, как им хочется, что люди могут поступать плохо, быть неправыми, плохо себя вести, что они имеют право на убеждения, которые отличны от их собственных убеждений.
"Таким пациентам нельзя ни в коем случае говорить, что они неправы. Для них это катастрофа, — говорит Гордеев. — Нет, наоборот, он хорош, но может стать еще лучше, если примет, что мир неидеален, что дождь идет не всегда в нужное время и так далее. Говорим о той цене, которую он платит за свое идеалистическое отношение к жизни. Когда речь идет о проблемах в отношениях, я сразу спрашиваю цифры давления пациента, и я не припомню, чтобы они были нормальными хоть когда-то. И человек начинает понимать это. Мы учим спокойно относиться к другому мнению, если оно неидеально, делегировать полномочия, если речь идет о команде, учим ценить плюсы другого".
Как становятся перфекционистами?
Врач-психиатр Научного центра персонализированной медицины Надежда Соловьева считает, что перфекционизм бывает врожденным и приобретенным.
Психиатр Михаил Гордеев считает, что влияние родителей на формирование перфекцониста более сильно, чем наследственность.
"Бывает, перфекционисты-родители воспитывают перфекционистов. А иногда родители чего-то сами не смогли добиться в жизни, но считают это очень важным и реализуют свое стремление через ребенка. Этого, по их мнению, должен достичь их ребенок, он должен быть лучшим, несмотря на то, что сам родитель сделать этого не смог".
Михаил Гордеев отмечает, что перфекционисты в детстве подвергались моральным наказаниям за неудачи, например, мама могла несколько дней не разговаривать с ребенком за плохое поведение, двойку или тройку, не выучил урок.
"Перфекционизм — это состояние, которое воспитывается боязнью наказания, притом речь не только о физических наказаниях. Моральное отвержение может быть гораздо страшнее для ребенка, чем лишение сладостей, запрет на прогулку и мультики, даже физические наказания. И когда перфекционист вырастает, он боится отвержения уже не мамы, а друзей, коллег, возлюбленного, для него наказание — неуважение и неприятие окружающих".
Перфекционисты боятся не только неуважения, они боятся быть опозоренными. И эти установки тоже закладываются близкими взрослыми.
"Эти страхи — социальные, они нормальны для нашей жизни, вопрос в том, насколько они сильны, — говорит Михаил Хорс.
Страх социального осуждения, страх выглядеть глупо идет с детства, когда мама говорит ребенку: "Смотри, на тебя все смотрят, смотри, дядя думает: "Какая плохая девочка плачет в магазине!" Или говорит: "Ты меня позоришь перед другими людьми, что скажут родственники, соседи, прохожие!", "Выйдешь к доске, весь класс будет смеяться, что ты ничего не знаешь", "Опозоришься перед всем классом", "Опозоришь школу".
Перфекционисты часто слышат от родителей фразы: "Ты должен быть лучше всех", "Нужно учиться только на пятерки", "Четверка — плохая оценка".
"Таких родителей ведь очень много, — объясняет психолог. — Когда такой ребенок сталкивается с тем, что не всегда он может быть первым, получить от жизни пятерку, сначала идет в достигаторство: "Ах так, не получаетася? Я буду больше работать", но в какой-то момент упирается в планку, сталкивается с ситуацией, что у него не получается. Может, не получается сейчас, а получится через год, но ему надо прямо сейчас. И тогда появляется его боль".
Дети, от которых родители не требуют быть самыми хорошими, растут более гармоничными личностями, считает Хорс.
"У такого родителя нет этого чувства неполноценности, которое он пытается удовлетворить за счет ребенка, он любит и ценит ребенка вне зависимости от его успехов. Воспитывает его в более реалистично-философской атмосфере, более флегматичной: "Ты молодец, давай, старайся, но если не получится — ничего, ты встанешь, отряхнешься и пойдешь дальше".
Антипод перфекциониста
Противоположность перфекционизма — расслабленные, флегматичные личности, которые не страдают из-за неудач. Их не особо тревожит, что на работе отругал начальник, что они не могут купить машину мечты, они не будут переживать из-за хамства в общественном транспорте, злиться на домашних за раскиданные носки и игрушки. Но считать их равнодушными, лишенными эмпатии и целей в жизни тоже неправильно, считает Михаил Гордеев.
"Как и для перфекциониста, для такого человека в жизни что-то важнее, что-то менее важно.
Для них высшей ценностью может быть свобода. Так было у хиппи, которые уходили жить на природу, отказывались от достижений, карьеры, потому что для них было важнее всего жить свободно, не связывать себя рамками. Это было их идеалом. И в какой-то мере их тоже можно назвать перфекционистами
По мнению Гордеева, школьник, который совершенно не переживает из-за двоек в школе, не успешен в учебе, может потом добиться больших успехов в сфере творчества.
"Возможно, он с детства четко знал, что ему нужно другое, — объясняет Михаил Гордеев. — Если человек не переживает из-за неуспеха на работе, в учебе, у него, возможно, есть другая сфера интересов. Можно ли назвать равнодушным классического Манилова, который все время думает о чем-то, мечтает, при этом ничего не делает? Сложно сказать, можно назвать его мечтателем. Просто его идеалы обществом не признаются".
Клиентами психотерапевта могут стать и антиподы перфекционистов, несмотря на более спокойное отношение к чужим и своим ошибкам, считает психиатр Надежда Соловьева.
"Если говорить о неврозах, малой психиатрии, о преодолении какого-то расстройства, тревожности, панических атаках, то приходят и те, и те. У выраженных перфекционистов проблема — это тревога. А у так называемых пофигистов — апатия, депрессивные состояния и социопатия. И внутри такие люди могут чувствовать свою несостоятельность и страдать от этого. И на самом деле и перфекционизм, и безразличие — это две защитные реакции психики, которые говорят, что у человека есть проблемы".
Люди "без кожи"
Перфекционисты часто бывают очень чувствительными людьми. Но чувствительные личности — не всегда перфекционисты. Их называют людьми "без кожи", когда ранить может грубое слово, пренебрежительный взгляд, а предательство или расставание надолго выбивает их из колеи и становится трагедией.
Чувствительность может быть и биологически обусловлена, когда человек рождается с очень нежной, восприимчивой нервной системой, считает Михаил Хорс. Но иногда подобная особенность говорит о "комплексе бога".
"Такой человек не обязательно стремится к успеху, у него может не быть хороших оценок в школе или высшего образования, он может не иметь престижной работы, зарплаты, признания коллег, но при этом у него комплекс всемогущего и всезнающего существа, которое точно знает, как должно быть, каким должен быть мир. И если он устроен по-другому, нежели он себе нафантазировал, то значит, это плохой мир. Таким людям больно жить в мире, который устроен не по их законам. В религии это называется словом "гордыня". Гордыня — это грех, который является матерью всех других грехов".
Надежда Соловьева считает, что в таком случае речь идет не о перфекционизме, а скорее о нетерпимости.
"Нельзя ставить знак равно между нетерпимостью и перфекционизмом. Бывают нетерпимые люди, которые не являются перфекционистами, и наоборот".
Противоположности притягиваются?
Семьи, построенные людьми с разными темпераментами, характерами, считаются более крепкими. Классический пример такого союза — герои Веры Алентовой и Алексея Баталова в фильме "Москва слезам не верит", Наташа Ростова и Пьер Безухов в романе Толстого "Война и мир". Но не в киношной или книжной, а в реальной паре, созданной перфекционистом и его антиподом, по мнению психиатра Михаила Гордеева, возникнут серьезные проблемы.
"Маловероятно, чтобы они сошлись. И даже большая любовь быстро погаснет, потому что они разные в восприятии мира. Ведь в паре человек часто ставит критерии в отношении партнера. И перфекционист может ставить критерии в продуктивности, пунктуальности, красоте. У него может быть идеал красоты, и ему, скажем, понравится красивая женщина, но утром она все равно проснется с помятым лицом, а это уже нарушение идеала".
Носимые устройства, получившие общее условное наименование "электронная кожа", сегодня разрабатываются многими командами ученых по всему миру и уже успели зарекомендовать себя в качестве удобных решений, помогая следить за жизненными показателями, например, недоношенных младенцев, и увлажнением кожи у спортсменов. Другие подобные разработки предназначен для того, чтобы придать роботам способность осязания как у человека. Но независимо от того, предназначены ли они для людей или для роботов, создание таких устройств представляет собой серьезную химическую и инженерную проблему: электронные компоненты, как правило, хрупкие и негибкие, а человеческая кожа - податливая, но трудная во взаимодействии основа.
Гибкая и чувствительная электроника
"Электронная кожа" имеет свои корни в компонентах, используемых в электронных книжных ридерах и изогнутых телевизорах, разработанных учеными, работающими над гибкими материалами или полимерами на основе углерода, проводящими электричество.
Один из самых ранних успехов в этой области был достигнут в 2004 году, когда команда японских ученых из Токийского университета разработала гибкую заплатку размером в 8 см 2 , предназначенную для использования в качестве "кожи" руки робота. Это гибкое и тонкое устройство было сделано из слоя высокоэффективного полиимидного пластика, чувствительного к давлению, органического полупроводника, называемого пентаценом, и слоев золотых и медных электродов. На заплатке размещался массив крошечных сенсоров давления (32 × 32), что позволяло току течь непрерывно, даже когда он был обернут вокруг цилиндрического стержня диаметром 4 миллиметра. И это дало роботам то, чего у них никогда не было: ощущение прикосновения от способности реагировать на давление.
Но кожа должна быть не только эластичной, но и упругой, способной реагировать на легкое прикосновение. В 2005 году японские ученые решили эту проблему, превратив относительно жесткий полиимидный полимер в пряди, а затем в сетку. Под натяжением пряди скручиваются, позволяя исследователям растягивать сетку по поверхности, например яйца. Натянутая сетка смогла ощутить изменения давления, воздействующего на яйцо от контакта с резиновым блоком. Добавление в сетку органических полупроводниковых диодов позволило также измерять температуру.
Другую технологию разработала группа ученых из Пхоханского университета науки и технологии (Корея), которая создала мультимодальную ионно-электронную кожу, которая может одновременно измерять температуру и механическую стимуляцию за счет применения специальных свойств ионных проводников.
Человеческая кожа свободно растягивается, но не повреждается при этом, поскольку она полна электролитов, поэтому ученые сделали сенсор также с их помощью. Они воспользовались тем, что материал ионного проводника, содержащий электролит, может иметь различные измеряемые свойства в зависимости от частоты измерения. На основе нового открытия был создан многофункциональный искусственный рецептор, который может одновременно измерять тактильные ощущения и температуру.
Такой искусственный рецептор с простой электродно-электролитной структурой имеет большой потенциал коммерциализации и точно измеряет температуру объекта, а также направление или профиль деформации при воздействии внешних раздражителей, таких как сдавливание, защемление, движение и скручивание.
В Северо-Западном университете (США) эту же проблему также решили по-другому. Там ученые сосредоточились на создании ультратонких структур из твердых, неорганических материалов, часто в нанометровом масштабе. В 2006 году исследователи разработали способ создания субмикрометровых лент из монокристаллического кремния и связывания их под напряжением с основой из резинового полидиметилсилоксана. Когда напряжение снимается, кремний деформируется в волнистые волны, которые могут сплющиваться (но не ломаться) по мере деформации материала.
Прикрепи и забудь
При создании "электронной кожи" существует два вида проблем - проблемы химии, которые решаются с помощью инженерии, и инженерные проблемы, нуждающиеся в помощи химиков. Нелегко поддерживать контакт между электродом и человеком, потому что кожа растягивается, морщится и сгибается по мере того, как люди двигаются. Гели могут удерживать электрод на месте, но не долго, потому что гели водянистые и со временем высыхают.
Одно из возможных решений представляют собой ионные жидкости. Изготовленные из солей, которые являются жидкими при комнатной температуре, ионные жидкости медленно испаряются, и хорошо проводят электрический ток. В 2014 году ученые из Кембриджского университета (Великобритания) объединили ионную жидкость под названием 1-этил-3-метилимидазолий этилсульфат с полимером. Это создало гель, способный удерживать золотой электрод и проводящий полимер. Получившееся в результате устройство сохраняло свои электрические характеристики в течение трех дней.
Но такие устройства также могут удерживать пот и блокировать обмен воздуха, что вызывает раздражение при ношении. Они также хрупки, что означает, что их нельзя использовать в течение длительного времени.
Для устранения этих недостатков в 2017 году японские ученые из Токийского университета пришли к идее пористого датчика, использующего сетку из гибких золотых волокон толщиной всего 300-500 нм6. Они использовали сетку из поливинилового спирта (ПВС), на которую нанесли рисунок схемы из золотых проводников. Промыв водой эту "конструкцию", они вымыли ПВС и получили гибкую, газонепроницаемую и негорючую электронную схему, которую можно закрепить на теле и забыть о ее существовании. В прошлом году японцы сообщила об использовании одной из таких конструкций для измерения частоты сердцебиения за счет контроля вибрации, которые оно индуцирует в груди (метод сейсмокардиографии), в течение 10 часов.
Чувствительность к изменениям
В Стэнфордском университете (США) химик Чжэнан Бао также разрабатывает "электронную кожу". Но вместо того, чтобы создавать сенсоры, а затем делать их совместимыми с кожей, она использует молекулярный подход - сразу разрабатывает органические полимеры и электронные компоненты с учетом необходимой гибкости.
В настоящее время специалисты Стэнфорда могут создавать почти все компоненты электронных устройств, в качестве которых до сих пор используется традиционная неорганическая электроника, но с помощью гибких материалов, похожих на кожу.
Бао создает свои материалы из ряда полимеров, которые обладают различными проводящими свойствами и биоразлагаемостью. Американские ученые из Стэнфордского университета создали "электронную кожу", которая настолько чувствительна, что может предоставить рукам робота способность брать ягоды, не повреждая их.
Эта "электронная кожа" обладает способностью измерения минимального давления и даже направления, в котором оно приложено, что дает достаточное количество информации для пары роботизированных пальцев, чтобы они могли манипулировать мягкими и нежными объектами, не повреждая их. Она может также измерять температуру и имеет другие встроенные сенсоры, которые способны дать роботизированной руке свойства, очень похожие на те, которыми обладает рука человека.
Кончики пальцев из "электронной кожи" имеют выступы и бороздки, очень похожие на те, что есть на наших руках и которые обеспечивают нас отпечатками пальцев, и это то, что дает "электронной коже" возможность ощущать направление, когда она движется. Ученые переделали свою технологию в перчатку, которая может мягко надавить на малину, не раздавливая ее.
Бао продолжает развивать концепцию создания датчиков, которые могут работать внутри тела. Специалисты ее команды разработали беспроводной биоразлагаемый датчик, который можно обернуть вокруг кровеносных сосудов и непрерывно контролировать кровоток после операции. Для считывания сигнала - обнаруженного как изменение емкости при прохождении крови через артерию - команда добавила внешнюю катушку, установленную рядом с кожей, которая передает радиосигнал на удаленный приемник.
Быть как человеческая кожа
Ученые из Мельбурнского королевского технологического университета (Австралии) используют неорганический подход, как это делают в Северо-Западном университете (США). Они используют металлы, такие как оксиды стронция, ванадия или титана, для создания искусственной кожи, которая может чувствовать боль. Например, такой материал можно использовать для покрытия протезов.
Оксиды металлов уже широко используются в электронике и имеют широкий спектр применения. Но они также хрупки при нагревании.
В 2013 году ученые с помощью очень сложного процесса смешала оксидные покрытия с эластичными каучуками, такими как силикон, для создания растяжимого электронного материала. В результате материал может быть растянут до 15%, но все же сохранить свои электрические свойства. Это происходит благодаря крошечным пластинчатым структурам в металлооксидной пленке, которые трескаются в маленьких пластинах, скользящих друг над другом, позволяя току протекать даже при деформации материала.
В прошлом году австралийские ученые создали материал, который может имитировать реакцию кожи на избыточное тепло, давление и боль, а также реакцию мозга на это.
Он примечателен тем, что воспроизводит реакцию реальной кожи на раздражители, которые посылают соответствующие электрические сигналы по нейронным путям в мозг. Технология предназначена для передачи тактильных ощущений через протезы рук и ног, и может даже помочь заменить кожные трансплантаты искусственными аналогами.
По данным разработчиков, этот материал имитирует то, как наша кожа обнаруживает боль, посылая сигналы так же быстро, как и здоровые нервы.
Ученые изготовили три отдельных прибора, один из которых чувствует давление, другой - температуру и третий - боль, хотя технология в принципе позволяет объединить их в одно целое. Это потребовало нового подхода к растягивающейся электронике, использующей оксидные материалы в сочетании с силиконом, чтобы сделать систему, которую можно сгибать и разгибать. Было разработано специальное термочувствительное покрытие, которое может быстро трансформироваться, то есть то, что можно сразу же измерить с помощью электроники. Последним необходимым компонентом были специализированные ячейки памяти, которые используются для принятия решения о том, как обрабатывать сенсорные данные и посылать правильные сигналы при достижении предельных значений.
По сути, австралийцы создали первые электронные соматосенсоры - воспроизводящие ключевые особенности сложной системы нейронов, нейронных путей и рецепторов организма, которые определяют наше восприятие сенсорных стимулов.
Технологический трансфер
Хотя это кажется научной фантастикой, но некоторые устройства на основе "электронной кожи" уже используются.
Например, сенсорный патч под названием BioStamp nPoint может быть использован в домашних условиях для мониторинга пациентов и помощи в клинических испытаниях путем сбора огромного количества данных о жизненных показателях участников. Это система закрепляется на теле пациента и может в непрерывном режиме записывать параметры здоровья, такие как частота сердцебиения, количество шагов, движения во время сна.
Система поставляется вместе со смартфоном, на котором установлено приложение, инструктирующее пользователей о том, как использовать сенсор, выполнять определенные действия, и обо всем, что относится к конкретному исследованию или состоянию здоровья. Со стороны врача используется планшет со своим собственным приложением, которое позволяет отслеживать сразу многих пациентов, а также программировать и контролировать сенсоры.
В 2019 году ученые из Северо-Западного университета (США) представили беспроводной датчик размером с наклейку, который можно использовать для мониторинга недоношенных детей в отделениях реанимации и интенсивной терапии новорожденных. Он заменил необходимость в многочисленных проводах для мониторинга и облегчил родителям возможность наблюдения за своими малышами, пока они находятся в больнице.
В 2015 году группа ученых из Токийского университета создала компанию под названием Xenoma, которая использует датчики из "электронной кожи" в умной одежде. Сюда входит пижама, которая может контролировать температуру тела и подключаться к блоку кондиционирования для регулировки комнатной температуры или предупреждать аварийно-спасательные службы и членов семьи, если пользователь упал.
Тонкие сенсорные устройства для мониторинга здоровья
Китайские ученые разработали искусственную "электронную кожу", основанную на графене, которая может функционировать как носимое устройство. Система использует тонкий, гибкий и растягивающийся материал, который имитирует человеческую кожу и может чувствовать давление, температуру и напряжение.
Электронное устройство закрепляется на человеческой коже, например, на горле для того, чтобы проводить измерения сигналов тела, таких как дыхание, сердцебиение и голос. Оно отличается высокой чувствительностью и долговременной стабильностью, может выдерживать высокую температуру и вполне удобна для ношения. Разработчики убеждены, что "электронная кожа" имеет большой потенциал для использования в здравоохранении и в системах на базе алгоритмов искусственного интеллекта.
Ученые из корейского Института науки и технологии (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology) разработали супертонкое носимое устройство, которое может записывать данные о здоровье, такие как частота биения сердца и дыхания, мышечные движения, а также другие ключевые данные, считывая их через кожу. Эта похожая на сверхтонкий пластырь система способна контролировать здоровье на основании анализа полученных сигналов тела. Само устройство содержит порядка 50 отдельных компонентов, которые объединены в сеть с помощью 250 миниатюрных проводников в форме спиралей, встроенных в изолирующий силикон.
Полученная информация может беспроводным путем передаваться врачу или в облачное хранилище посредством мобильного приложения.
Устройство получает питание беспроводным способом, что помогает значительно уменьшить его размеры и компоновку, кроме того, ученые провели специальные исследования и расположили электронные компоненты таким образом, чтобы избежать интерференции сигналов.
А исследователи из Колорадского университета в Боулдере (США) разработали "электронную кожу", которая обладает способностью самостоятельно восстанавливаться после повреждений, а также полностью перерабатываться, когда становится ненужной. Эта "электронная кожа" может использоваться для измерения давления, прикладываемого на ее поверхность, температуры, влажности и даже воздушного потока.
Она изготовлена из полиимина (polyimine), недавно созданного полимера, изготовленного из смеси терефтальальдегида, диэтилентриамина и трис(2-аминоэтил)амина с этанолом, в который введены серебряные наночастицы. Серебро действует как электрический проводник, но также усиливает материал и обеспечивает его химическую стойкость.
При небольшом разрыве датчика на место повреждения нужно нанести полиимин, а затем немного подождать. При комнатной температуре восстановление повреждения займет 30 минут, а при нагреве до 80 градусов Цельсия и увеличении давления — всего 10 минут (но это возможно, естественно, не на человеческом теле). После этого химические связи восстановятся, и сенсор продолжит работу в обычном режиме.
Трудности
Носимая электроника - это сложные для разработки и производства решения. Для функционирования "электронной кожи" длительный и тесный контакт с кожей необходим, чем собственно такие устройства и отличаются от современных носимых устройств на основе жестких и хрупких элементов.
Это создает значительную проблему для материаловедов, которым необходимо решать задачу объединения всех этих материалов и обеспечения их функционирования. Кроме того, существуют трудности управления интерфейсами и механическое несоответствие между твердыми и мягкими материалами.
Тем не менее реальные системы на основе такой технологии уже создаются и используются в различных клинических условиях. Это и устройства для мониторинга биомаркеров пота у людей с муковисцидозом, проверки увлажненности кожи при определенных кожных заболеваниях и оценки воздействия УФ-излучения, например, у людей с меланомой. Разрабатываются датчики, которые отслеживают давление и температуру между кожей и протезом.
Сегодня по всему миру ведутся разработки гуманоидных роботов, бионических протезов, искусственных органов. Пожалуй, на данный момент учёные и конструкторы дальше всего продвинулись именно в протезировании. К сожалению, внешний вид этих шедевров биоинженерии по-прежнему оставляет желать лучшего с точки зрения неотличимости от живой плоти. Кроме того, для успешного использования таких протезов необходим визуальный контроль, поскольку искусственная конечность лишена тактильных ощущений. И для решения всех этих проблем учёные разрабатывают искусственную электронную кожу. Каких успехов они уже добились?
Искусственная тактильная чувствительность у людей и машин пока что остаётся уделом фантастических фильмов и книг. Но есть все основания считать, что скоро появятся и первые настоящие инженерные образцы действующих систем. Причём помимо протезирования и оснащения роботов, технология искусственной кожи обещает найти применение и в области носимых гаджетов.
Сами по себе роботы уже давно не удивляют никого, кроме старушек из захолустья. И чем больше механические «существа» будут проникать в нашу повседневную жизнь, — а это, судя по всему, неизбежно, — тем важнее будет становиться придание им возможности «чувствовать шкурой». Это будет необходимо как минимум для безопасности их собственного функционирования: помимо формы объектов, нужно определять скользкость, текстуру и температуру поверхности, иначе робот может уронить предмет или упадёт сам. Ощущая свойства предмета, робот сможет точно рассчитать необходимое и достаточное усилие удержания.
Эта польза от распределённой сети датчиков, позволяющей точно измерить небольшие изменения давления, привлекает внимание производителей и энтузиастов носимых гаджетов и «умной» одежды. Искусственная электронная кожа (E-skin) также может оказаться полезной в создании нательных датчиков мониторинга физического состояния, и даже найти применение в минимальной инвазивной хирургии.
Мягкость, гибкость и эластичность
Как уже упоминалось, гибкая искусственная кожа особенно востребована в сфере протезирования. Современные высокотехнологичные протезы, использующие миоэлектрические интерфейсы, получают сигналы напрямую из мышечной ткани человека и с помощью сложных алгоритмов преобразуют их в движение сервомоторов. Но, несмотря на усилия дизайнеров придать искусственным протезам наиболее естественный вид, их искусственность будет очень сильно заметна. И важнейшую роль в этом восприятии играет твёрдость внешней оболочки протезов. Она не гнётся и не тянется, как настоящая кожа, а уж про прикосновение и говорить не приходится.
Настоящий прорыв в области искусственной кожи произойдёт, когда ей удастся придать механические свойства кожи человека. Это позволит очень точно взаимодействовать с объектами и избавит людей с протезами от львиной доли дискомфорта и неудобства.
Однако в этом заключается и одна из главных трудностей. Ведь чтобы кожа точно повторяла контуры объектов, содержащаяся в ней электроника тоже должна быть гибкой. К сожалению, почти вся современная микроэлементная база не может похвастаться таким свойством. Хотя на решение этой проблемы направлено немало усилий со стороны разработчиков. Например, первые попытки создания искусственной кожи представляли собой напечатанные на гибкой подложке токопроводящие схемы с припаянными к ним стандартными микроэлектронными компонентами и датчиками. Такие решения были чрезвычайно неуклюжими, поскольку готовые изделия представляли собой некую поверхность, под которой отчётливо прощупывались твёрдые «островки» электронных компонентов, соединённых друг с другом традиционной металлической пайкой.
Тем не менее, подобный подход лёг в основу проекта ROBOSKIN. Внешний покров представлял собой полужёсткий материал с внедрёнными датчиками и электроникой. Конечно, это было далеко от понятия «кожи», но такое покрытие обеспечивало минимальные тактильные возможности и хорошо подходило для использования на больших поверхностях сложной формы. Этот прототип искусственной кожи даже был испытан на различных роботах, в том числе iCub.
Другим интересным подходом к созданию e-skin стало использование органических тонкоплёночных полупроводниковых транзисторов. Эта технология была разработана учёными Токийского и Стэнфордского университетов. Благодаря особенностям своей молекулярной структуры, органические полупроводники изначально обладают гибкостью, что является их важнейшим преимуществом. С другой стороны, скорость и стабильность работы органических компонентов невысоки из-за низкой электропроводности.
Но для создания эффективной искусственной кожи необходима скорость отклика не больше одной миллисекунды, чтобы робот мог реагировать достаточно быстро. А по этому показателю лучше всего подходят высокомобильные материалы, например, монокристаллический кремний.
Однако использование кремния возвращает нас к проблеме гибкости. Один из подходов позволяет решить её с помощью термопереносной печати. Для этого кремниевую нанопроволоку наносят под нагревом на гибкую пластиковую подложку. Она представляет собой эластичный материал под названием полимид (polymide). Такая подложка с нанесёнными токопроводящими схемами из кремниевой нанопроволоки потом оснащается тонкоплёночными транзисторами и датчиками. Эта технология сейчас активно разрабатывается в Университете Глазго (обратите внимание, это всё-таки шотландские учёные!).
Другой перспективный материал был также недавно разработан в стенах Израильского Технологического Института. На подложку из полиэтилентерефталата нанесены датчики, представляющие собой однослойные участки из частиц золота диаметром 5-8 нанометров. Они, словно лепестками, окружены лигандами, выполняющими роль соединителей-проводников. Эти датчики способны измерять давление в диапазоне от десятков миллиграммов до десятков граммов.
Сейчас основные усилия направлены именно на достижение достаточной гибкости и прочности покрова, но, помимо этого, остро стоит вопрос тактильной «натуральности». Кроме того, искусственная кожа, по сути, является электрическим прибором, гаджетом. И эффективность её энергопотребления также потребует внимания разработчиков. Конечно, это не смартфоны с их низким временем автономной работы, но всё же вспоминать о подзарядке своей кожи нужно как можно реже.
В общем, текущее состояние дел с созданием искусственной кожи позволяет надеяться, что в ближайшие годы она достигнет уровня коммерческого продукта. И кто знает, возможно, лет через 20 вы, пожав кому-то руку, потом с удивлением услышите, что это, оказывается, протез.
Читайте также: