Інженери з університету Глазго розробили електронну шкіру, здатну відчувати дотик завдяки залишковій енергії від сонячних елементів без спеціальних сенсорних датчиків. Таким чином сонячні елементи використовувалися одночасно і для накопичення енергії, і як сенсори. Шкіра може відчувати близькість положення та краї предметів, а також генерувати потужність до 100 ватів, повідомляють вчені у статті, опублікованій у журналі IEEE Transactions on Robotics.
BEST Group
Чому використали сонячні елементи?
Електронна шкіра зазвичай є тонким матеріалом, який розробляється, щоб імітувати функції і механічні властивості шкіри людини. Це можна використовувати і для відстеження фізіологічних показників організму, і для покращення комунікації між роботами та людьми у спільному середовищі. Однак, відтворити подібний людському дотик складно, адже електронна шкіра повинна бути гнучкою, пластичною і водночас чутливої до температури, тиску, текстур. А також мати можливість зчитувати біологічні дані та надавати електронні. Але постійне використання електронної шкіри для роботи у режимі реального часу потребує додаткового живлення. Установка будь-якого додаткового модуля, у тому числі такої електронної оболонки, для звичайного робота на акумуляторі буде зайвим тягарем, а тому для збільшення часу роботи необхідно зменшувати енергоспоживання. Досі всі спроби мінімізувати енерговитрати були зосереджені або на зменшенні споживаної потужності за рахунок малопотужної електроніки, зменшенні кількості сенсорів(наприклад, обмеження місць їхнього розміщення), або використанні комбінації різних способів збору та зберігання енергії. У цій роботі вчені представили новий підхід, де електронна шкіра взагалі не має сенсорного шару та датчиків і водночас володіє власним джерелом живлення.
Як інженерам вдалося уникнути використання сенсорів?
Під впливом джерела світла сонячні елементи виробляють енергію, а деякі її залишки навіть зберігають. І саме через роботу зі світлом вони дають змогу також забезпечити тактильні відчуття: у досліді вчених електронна шкіра змогла визначити такі параметри, як наближення до об’єкта, його межі та місцерозташування об'єкта. Якщо електронна шкіра наближається до поверхні якого-небудь об’єкту, то знижується інтенсивність світла, яке сприймають сонячні елементи, а отже генерована ними енергія зменшується і це можна використати як сигнал про дотик або наближення. Такий спосіб може ефективно скоротити затримку між процесами отримання та обробки даних, адже в режимі реального часу ви можете порівняти інтенсивність світла і після певного калібрування алгоритмами, дізнатися відстань. У своїй роботі вчені використали розподілений масив інфрачервоних світлодіодів з сонячними елементами, який розмістили на м’якій еластомірній підкладці, що легко може адаптуватися для покриття криволінійних поверхонь, наприклад кистей рук робота.
Щоб продемонструвати свою концепцію, дослідники обернули звичайну, надруковану на 3D-принтері, руку промислового робота у свою електронну шкіру та змушували його взаємодіяти з навколишнім середовищем. Випробування показали, що шкіра генерує більше 100 ватів, а надлишок енергії на долоні маніпулятора становить 383,3 мілівата. Створена шкіра демонструє безперервне вироблення енергії в діапазоні приблизно 10 міліватів на квадратний сантиметр з огляду на весь масив сонячних елементів, розподілених в області долоні. Також надлишок енергії може зберігатися в батареях як резерв для подальшого використання, коли умови освітлення недостатньо гарні для вироблення необхідної потужності.
BEST_UofG / YouTube
Як працює така шкіра?
Розроблена шкіра має два режими роботи: виявлення тіні, тобто відклик на відсутність світла, та визначення наближення до поверхні. У першому сонячні елементи в матриці використовувалися в якості детекторів темряви або тіні так, що комбінований вихідний сигнал всіх освітлених і, що більш важливо, неосвітлених сонячних елементів в матриці дозволив нам розуміти, як розташований предмет, оцінювати його форму. А додавши кілька інфрачервоних світлодіодів і більш інтелектуальну схему зчитування, вченим вдалося досягти визначення безпосередньої близькості об'єктів, що наближаються до руки робота. У лабораторії тести проводилися з одним джерелом білого світла, але дослідники вважають, що використання кількох джерел світла для збору даних може розширити можливості розробки, наприклад, визначення напрямків джерел світла.
Однак, все ж поки існують деякі обмеження. Матеріал шкіри все ж недостатньо гнучкий, що використовувати його, наприклад, на пальцях. У своєму прототипі вони використовували комерційні сонячні елементи з аморфного кремнію, розміром один на один сантиметр, шар матеріалу з якими можна зігнути, не ламаючи, на циліндричних поверхнях з радіусом кривини 30 міліметрів - як на руках або зап'ястях. Щоб підвищити гнучкість, потрібно або зменшувати розмір жорстких сонячних елементів, або використовувати гнучкі. Також поки робота шкіри обмежується за умов різкої зміни освітлення або коли джерело світла нерухоме. У таких випадках алгоритми можуть привести до помилкових результатів.
Вчені припускають безліч способів використання їхньої розробки з огляду на її можливості розпізнавання об’єктів та відстані до них. Так її можна використовувати для протезування, адже сонячні датчики роблять конструкцію менш громіздкою, що спростить її використання. Також її можна інтегрувати також для розпізнавання жестів, наприклад, в іграх. Або навіть можна використати технологію для безпілотників: автомобіль, вкритий такою “сонячною” електронною шкірою, завдяки своїй здатності розпізнавати наближення, зможе “бачити” перешкоду, що наближається.