فهرست مطالب
پژوهشگران دانشگاه ملی سنگاپور پوست الکترونیکی هوشمند فوق‌نازکی با نام eLuminator ساخته‌اند که تنها در ۱۵ میلی‌ثانیه پس از لمس شدن، روشن می‌شود و محل تماس و میزان فشار را نشان می‌دهد.
به گزارش سرویس فناوری تکناک، این فناوری می‌تواند فشار فیزیکی را مستقیما به الگوهای نورانی تبدیل کند و اطلاعات مربوط به محل تماس، شکل آن و نحوه توزیع نیرو را بدون نیاز به نمایشگر جداگانه نمایش دهد. پژوهشگران دانشگاه ملی سنگاپور (NUS) با توسعه این پوست مصنوعی، سه قابلیت تشخیص فشار، اندازه‌گیری آن و نمایش بصری اطلاعات را در یک ساختار انعطاف‌پذیر ترکیب کرده‌اند.
ضخامت این پوست الکترونیکی تنها ۷۰ میکرومتر است و وضوح ۸۴۷ نقطه در اینچ را ارائه می‌دهد. این میزان دقت به دستگاه اجازه می‌دهد حتی برجستگی‌ها و فرورفتگی‌های بسیار ریز اثر انگشت انسان را تشخیص دهد و بازسازی کند. پژوهشگران معتقد هستند که این فناوری می‌تواند در آینده کاربردهای گسترده‌ای در رباتیک، تجهیزات جراحی، اندام‌های مصنوعی و دستگاه‌های پوشیدنی پایش سلامت داشته باشد.
پوست انسان به کمک شبکه پیچیده‌ای از گیرنده‌های حسی، اعصاب و مغز می‌تواند میزان فشار واردشده هنگام لمس یا گرفتن اجسام را تشخیص دهد. برای مثال، هنگامی که فرد یک تخم‌مرغ را در دست می‌گیرد، پایانه‌های عصبی پوست بلافاصله فشار و تغییر شکل بافت را شناسایی می‌کنند. این اطلاعات به مغز منتقل می‌شود تا فرد بتواند قدرت گرفتن جسم را تنظیم کند و از شکستن آن جلوگیری نماید.
همین سیستم حسی به انسان امکان می‌دهد تفاوت میان یک تماس ملایم و ضربه‌ای محکم را تشخیص دهد. با وجود این، بازسازی چنین قابلیتی در ماشین‌ها بسیار پیچیده‌تر است و به مجموعه‌ای از حسگرها و تجهیزات پردازش اطلاعات نیاز دارد.
دانشمندان در سال‌های گذشته پوست‌های الکترونیکی مختلفی توسعه داده‌اند که به ربات‌ها، اندام‌های مصنوعی و تجهیزات پزشکی امکان تشخیص تماس فیزیکی را می‌دهند. این سیستم‌ها معمولا از مجموعه‌ای از حسگرهای کوچک تشکیل شده‌اند که نیروی واردشده را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند.
سیگنال‌های تولیدشده به کامپیوتر یا کنترل‌کننده الکترونیکی منتقل می‌شوند تا محل تماس و میزان فشار مشخص شود. سپس اطلاعات پردازش‌شده می‌تواند برای کنترل حرکات ربات یا ارائه بازخورد به اپراتور انسانی استفاده شود. این بازخورد معمولا به شکل اعداد، نقشه فشار روی نمایشگر یا واکنش‌های لمسی مانند لرزش و مقاومت فیزیکی ارائه می‌شود.
برای نمونه، پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) دست مصنوعی بادی ساخته‌اند که با استفاده از شبکه‌ای انعطاف‌پذیر از حسگرهای لمسی، تماس را شناسایی می‌کند. این سیستم اطلاعات دریافتی را به احساسات لمسی تبدیل می‌نماید و آنها را به بافت پوستی باقی‌مانده کاربر منتقل می‌کند.
پژوهشگران دانشگاه جانز هاپکینز نیز نمونه مشابهی توسعه داده‌اند که اطلاعات فشار را از طریق اتصال الکترومایوگرافی (EMG) به مسیرهای عصبی و عضلانی عمیق منتقل می‌کند.
با وجود پیشرفت این فناوری‌ها، پوست‌های الکترونیکی متداول همچنان محدودیت‌های مهمی دارند. بسیاری از آنها به حسگرهای مستقل، سیم‌کشی گسترده، مدارهای پردازش سیگنال و نمایشگرهای خارجی نیاز دارند. این قطعات، پیچیدگی و حجم دستگاه را افزایش می‌دهند و استفاده از آن را روی سطوح کوچک و انعطاف‌پذیر دشوار می‌کنند.
علاوه بر این، بسیاری از طراحی‌های موجود از شبکه‌ای از نقاط حسگر مجزا استفاده می‌کنند. چنین ساختاری دقت تشخیص محل فشار را محدود می‌کند. افزایش تعداد حسگرها می‌تواند وضوح را بهبود دهد، اما به سیم‌کشی بیشتری نیاز دارد و احتمال تداخل سیگنال‌های الکتریکی را افزایش می‌دهد.
وجود قطعات سخت یا نیمه‌سخت نیز باعث می‌شود پوست مصنوعی نتواند به راحتی با سطوح منحنی و متحرک هماهنگ شود. پژوهشگران سنگاپوری برای برطرف کردن این مشکلات، رویکرد متفاوتی را در توسعه eLuminator انتخاب کرده‌اند.
بیشتر بخوانید: پرورش پوست مصنوعی انسان با رگ های خونی و رنگدانه در آزمایشگاه
نحوه تبدیل فشار به نور با فناوری eLuminator
مهم‌ترین نوآوری پوست الکترونیکی eLuminator، ادغام سیستم تشخیص فشار و نمایش بصری در یک ساختار واحد است. برخلاف نمونه‌های متداول که به حسگرهای مستقل و تجهیزات پردازش اطلاعات نیاز دارند، این فناوری از ماده‌ای حساس به فشار استفاده می‌کند که نیروی واردشده را مستقیما به نور مرئی تبدیل می‌کند.
هنگامی که جسمی با سطح پوست تماس پیدا می‌کند، ناحیه تحت فشار روشن می‌شود. شدت نور نیز متناسب با میزان فشار تغییر می‌کند. به این ترتیب، مشاهده‌کننده می‌تواند بدون نیاز به کامپیوتر یا نمایشگر جداگانه، شکل تماس و نحوه توزیع نیرو را مشاهده کند.
همچنین این دستگاه می‌تواند در صورت اتصال به تجهیزات خوانش الکترونیکی، مقدار فشار را به صورت عددی اندازه‌گیری کند. بنابراین، پوست مصنوعی هم‌زمان نقش سطح حساس به فشار و سیستم نمایش اطلاعات را بر عهده دارد.
ساختار eLuminator از سه لایه اصلی تشکیل شده است. لایه بالایی به فشار حساس است و هزاران ساختار گنبدی‌شکل میکروسکوپی روی آن قرار دارد. لایه میانی حاوی ذرات سولفید روی آلاییده به مس است که قابلیت تولید نور دارند. لایه پایینی نیز از یک الکترود شفاف تشکیل شده است.
هنگامی که ولتاژ متناوب به دستگاه اعمال می‌شود، میدان الکتریکی در ساختار آن شکل می‌گیرد. با وجود این، شدت اولیه این میدان برای تحریک ذرات نورافشان و تولید نور کافی نیست.
زمانی که انگشت به سطح پوست فشار وارد می‌کند، گنبدهای میکروسکوپی فشرده می‌شوند. این تغییر شکل باعث افزایش سطح تماس با لایه نورافشان و کاهش فاصله میان الکترودها می‌شود.
در نتیجه، شدت میدان الکتریکی در ناحیه تحت فشار افزایش پیدا می‌کند. هنگامی که میدان به مقدار کافی می‌رسد، ذرات نورافشان تحریک می‌شوند و نور مرئی تولید می‌کنند.
هرچه فشار واردشده بیشتر باشد، ساختارهای گنبدی بیشتر فشرده می‌شوند و شدت نور افزایش پیدا می‌کند. ازآنجاکه این فرایند دقیقا در محل تماس اتفاق می‌افتد، الگوی نورانی ایجادشده می‌تواند شکل جسم و نحوه توزیع فشار را نشان دهد.
همچنین فشرده شدن ساختار، ظرفیت خازنی دستگاه را تغییر می‌دهد. این تغییر به سیستم اجازه می‌دهد فشار را به صورت الکترونیکی اندازه‌گیری کند. بنابراین، فناوری جدید بدون نیاز به آرایه‌ای از حسگرهای مستقل، دو قابلیت نمایش نورانی و اندازه‌گیری فشار را ارائه می‌دهد.
پروفسور لیم چوی تک (Lim Chwee Teck)، یکی از توسعه‌دهندگان این فناوری، معتقد است که پوست الکترونیکی هوشمند eLuminator شیوه تعامل انسان با اطلاعات لمسی را تغییر می‌دهد. او توضیح داد که کاربران به‌جای اتکا به تجهیزات الکترونیکی پیچیده، می‌توانند توزیع نیرو را هم‌زمان با اعمال فشار مشاهده نمایند و اطلاعات را به شکلی طبیعی‌تر درک کنند.
پژوهشگران برای ارزیابی عملکرد دستگاه، مجموعه‌ای از آزمایش‌های مکانیکی و الکترونیکی انجام دادند. در یکی از آزمایش‌ها، آنها نوک انگشت را روی سطح پوست مصنوعی قرار دادند و فشار وارد کردند.
نتایج نشان داد که دستگاه می‌تواند برجستگی‌ها و فرورفتگی‌های بسیار ریز اثر انگشت را بازسازی کند. وضوح مکانی این فناوری به ۳۰ میکرومتر، معادل ۸۴۷ نقطه در اینچ رسید که برای تشخیص جزئیات دقیق تماس کافی است.
سرعت واکنش دستگاه نیز از مهم‌ترین ویژگی‌های آن محسوب می‌شود. پوست الکترونیکی هوشمند تنها در ۱۵ میلی‌ثانیه پس از اعمال فشار، نور مرئی تولید کرد. سیستم اندازه‌گیری الکترونیکی نیز توانست اطلاعات مربوط به فشار را در حدود ۱۱۰ میلی‌ثانیه ارائه دهد.
این فناوری قادر است تماس‌های بسیار ملایم تا فشار ۱۸۰ کیلوپاسکال را تشخیص دهد. چنین محدوده‌ای امکان استفاده از دستگاه را برای بررسی تماس‌های سبک و نیروهای نسبتا زیاد فراهم می‌کند.
آزمایش‌های انعطاف‌پذیری نیز نشان دادند که پوست مصنوعی می‌تواند به بیش از دو برابر طول اولیه خود کشیده شود. همچنین دستگاه پس از هزار چرخه خم شدن و چهار هزار چرخه اعمال بار تکراری، عملکرد پایداری داشت.
این نتایج نشان می‌دهند که ساختار بسیار نازک eLuminator علاوه بر وضوح بالا و سرعت واکنش مناسب، از انعطاف‌پذیری و دوام مکانیکی قابل توجهی نیز برخوردار است.
بیشتر بخوانید: ساخت پوست مصنوعی هوشمند تغییرشکل‌پذیر با قابلیت رمزگذاری
کاربرد پوست الکترونیکی هوشمند
پژوهشگران دانشگاه ملی سنگاپور برای بررسی کاربردهای عملی فناوری جدید، آزمایش‌هایی را در حوزه تجهیزات پزشکی انجام دادند. یکی از این آزمایش‌ها شامل استفاده از مدل سه‌بعدی چاپ‌شده پا برای نمایش نحوه توزیع فشار بود.
پوست الکترونیکی توانست نواحی مختلف تحت فشار را با الگوهای نورانی مشخص کند. این قابلیت می‌تواند در آینده به متخصصان سلامت کمک کند تا بخش‌هایی از کف پا را شناسایی نمایند که فشار بیش‌ازحدی را تحمل می‌کنند.
چنین اطلاعاتی به‌ویژه برای بیماران در معرض خطر زخم پای دیابتی اهمیت دارد. شناسایی نقاط پرفشار می‌تواند به ارزیابی بهتر وضعیت پا و تصمیم‌گیری درباره اقدامات مراقبتی کمک کند.
در آزمایش دیگری، پژوهشگران پوست الکترونیکی هوشمند را روی یک ابزار گیره‌ای جراحی لاپاراسکوپی نصب کردند. سپس عملکرد آن را در شرایط شبیه‌سازی‌شده با استفاده از بافت مصنوعی، رگ‌های خونی و مدل آپاندیس بررسی کردند.
هنگامی که ابزار جراحی بافت را می‌گرفت، نواحی تماس روی پوست الکترونیکی روشن می‌شدند. شدت روشنایی و اندازه بخش‌های نورانی نیز با افزایش یا کاهش نیروی واردشده تغییر می‌کرد.
این ویژگی می‌تواند به جراحان امکان دهد میزان فشار واردشده به بافت‌های حساس را بهتر ارزیابی کنند. چنین بازخوردی در آینده ممکن است به کاهش آسیب ناشی از فشار بیش‌ازحد ابزارهای جراحی کمک کند.
همچنین پژوهشگران نشان دادند که eLuminator تنها به تشخیص فشار ثابت محدود نمی‌شود و می‌تواند تماس‌های متحرک، مانند حرکت نوشتن روی سطح را نیز ردیابی کند.
یکی دیگر از کاربردهای احتمالی این فناوری، توسعه دست‌های رباتیک با حس لامسه دقیق‌تر است. ربات‌های مجهز به چنین پوستی می‌توانند میزان نیروی واردشده هنگام گرفتن اجسام را بهتر تشخیص دهند و اشیای ظریف را بدون خرد کردن یا آسیب رساندن به آنها جابه‌جا کنند.
استفاده از این فناوری در اندام‌های مصنوعی نیز می‌تواند کنترل قدرت گرفتن اجسام را بهبود دهد. همچنین توانایی ثبت جزئیات ریز اثر انگشت، امکان بهره‌گیری از پوست الکترونیکی را در سیستم‌های شناسایی بیومتریک فراهم می‌کند.
ساختار فوق‌نازک و انعطاف‌پذیر دستگاه نیز زمینه استفاده از آن را در تجهیزات پوشیدنی پایش سلامت و رابط‌های پیشرفته انسان و ماشین فراهم می‌کند.
با وجود این، فناوری eLuminator هنوز برای استفاده گسترده خارج از آزمایشگاه آماده نیست. یکی از مهم‌ترین محدودیت‌های فعلی، نیاز آن به منبع تغذیه خارجی با جریان متناوب است.
پژوهشگران در آزمایش‌های کاربردی از ولتاژ ۱۵۰ ولت و فرکانس یک کیلوهرتز استفاده کردند. چنین ساختاری برای دستگاهی که قرار است روی پوست انسان قرار گیرد یا به نوک انگشت ربات متصل شود، چندان مناسب نیست.
تیم تحقیقاتی اکنون برای کاهش نیاز انرژی دستگاه، افزایش حساسیت و توسعه کاربردهای عملی آن در حوزه سلامت تلاش می‌کند. در صورت برطرف شدن این محدودیت‌ها، eLuminator می‌تواند زمینه ساخت نسل جدیدی از پوست‌های الکترونیکی را فراهم کند که فشار فیزیکی را بدون نیاز به نمایشگرهای جداگانه و سیستم‌های پیچیده پردازش، مستقیما به اطلاعات بصری تبدیل می‌کنند.
حتما بخوانید: نخستین نمایشگر لمسی درون لباس ساخته شد؛ آستینی که ویدیو پخش می کند
