Принцип действия датчиков давления для роботов позаимствовали у скорпионов
Природа, гениальный инженер, снова приходит на помощь ученым. Вдохновившись скорпионами, они разработали новые датчики давления — для роботов и не только.
В современной технике датчики давления чрезвычайно востребованы — от медицинских устройств и промышленных систем управления до робототехники и интерфейсов «человек-машина». Чаще всего в этой роли применяются кремниевые пьезорезистивные датчики. Простые и доступные, эти сенсоры обладают критичным ограничением. Они не могут быть сверхчувствительными к изменениям и при этом эффективно работать в широком диапазоне давлений — приходится выбирать что-то одно.
За миллионы лет эволюции природа нашла решение этой проблемы, чем не преминули воспользоваться китайские ученые. Они скопировали механосенсорные системы скорпионов, которыми те превосходно ощущают окружающую среду. Скорпионьи сенсоры устроены так: крошечные волоски (трихоботрии) растут из щелевидных пор в панцире. Действуя как рычаг, совместно с мембраной, в которой встроены механорецепторные нейроны (сенсиллы), они улавливают и усиливают слабейшие колебания — вплоть до дуновения легкого ветерка.
Датчик «как у скорпионов» описан в журнале Science Advances. Он включает миниатюрные ловушки напряжения для имитации щелей и блоки подавления изгиба, выполняющие роль волосков. При размещении на верхней части компьютерного чипа ловушки напряжения повышают чувствительность сенсора, а блоки подавления изгиба в нижней части чипа улучшают его точность.
Чтобы проверить свою концепцию в реальном мире, исследователи интегрировали датчик с системой глубокого обучения и установили его на шестиногих роботах. Роботы смогли имитировать способность скорпиона ощущать окружающую среду, обнаруживая малейшие изменения давления воздуха вокруг себя.
Эти «роботы-скорпионы» легко уклонялись от надвигающихся картонных коробок, как только чувствовали приближающиеся объекты, воспринимая их как крупных «хищников», и быстро двигались к маленьким коробкам, которые они определяли как «добычу».
«Эта работа подчеркивает потенциал использования ключевых конструктивных решений, вдохновленных живыми насекомыми, для повышения эффективности чувствительного восприятия, и предлагает структурные идеи для других высокоточных сенсоров», — говорится в статье.
Вдохновленные скорпионами датчики стали важным шагом на пути к созданию более интуитивных и адаптивных роботов, которым они могут обеспечить гораздо лучшее восприятие окружающей среды, улучшить избегание столкновений и упростить работу в условиях ограниченной видимости, например в темноте, в дыму или пыли. Эта технология также может быть полезной для мониторинга здоровья, позволяя более точно обнаруживать сигналы давления от тела, такие как слабое сердцебиение или едва ощутимый пульс.
