پوست الکترونیکی که با نور پاسخ می‌دهد

به گزارش مجله خبری نگار،پژوهشگران دانشگاه ملی سنگاپور NUS) نوعی پوست الکترونیکی فوق‌نازک و پذیرفتن ابداع کرده‌اند که به محض لمس کردن، از خود نور ساطع می‌کند.

این پوست که «ای‌لومینیتور» (eLuminator) نام دارد، دقیقاً نشان می‌دهد که در کدام نقطه و با چه شدتی اعمال می‌شود. گویی پوستی است که به یک صفحه نمایش داده شود.

این ابزار، قابلیت‌های حس کردن فشار، اندازه گیری و نمایش بصری را در یک مجموعه واحد گرد هم آورده است.

عملکرد این فناوری بدین صورت است که فشار را مستقیماً به الگو‌های نوری قابل‌مشاهده تبدیل می‌کند. بدین ترتیب، می‌توان شکل و نحوه استفاده از کاربر را به‌صورت آنی مشاهده کرد، بدون اینکه نیازی به نمایشگر یا پردازش‌های تصمیمات پیچیده باشد.

ضخامت این پوست مصنوعی تنها ۷۰ میکرومتر است و از نمایانگر تصویر ۸۴۷ نقطه در اینچ (dpi) چشم است. دقتی که حتی خطوط اثر انگشت را نیز نمایان می‌کند.

از کاربرد‌های احتمالی این فناوری می‌توانم به حسگری در رباتیک، ابزار‌های جراحی و تجهیزات پوشیدنی در حوزه سلامت اشاره کرد.

ما انسان‌ها به لطف یک سیستم بازخورد پیشرفته متشکل از پوست، دستگاه عصبی و مغز، دقیقاً درک می‌کنم که هنگام لمس، گرفتن یا فشردن یک شیء، میزان فشار اعمال می‌شود. همین روند در شرایط معکوس نیز رخ می‌دهد. برای مثال، وقتی تخم‌مرغی را برمی‌داریم، پایانه‌های عصبی تخصصی در فشار پوست و تغییر شکل ایجاد شده را می‌دهند. سپس‌ها به مغز ارسال می‌شوند که به ما کمک می‌کند، آن شیء را ارزیابی می‌کند که میزان آن را ارزیابی می‌کند و دستمان را با آن تنظیم می‌کند. به همین دلیل است که می‌توانیم تفاوت بین یک ضربه محبت‌آمیز و آرام را با یک سیلی محکم تشخیص دهیم.

با این حال، این حس لامسه در ماشین‌ها پیچیده‌تر است. پوست‌های الکترونیکی مصنوعی ساخته شده‌اند که به ربات‌ها، اندام‌های مصنوعی (پروتزه‌ها) و تجهیزات پزشکی امکان‌پذیر می‌شود بررسی‌ها را تشخیص داده و میزان فشار را اندازه‌گیری کنند. این پوست‌ها معمولاً شامل آرایه‌های کوچک هستند از فشار‌های حسگر‌هایی که نیرو‌های وارد شده به سیگنال‌های الکتریکی می‌شوند.

این کنترل‌ها به یک رایانه یا کنترل‌کننده الکترونیکی ارسال می‌شوند تا با پردازش داده‌ها مشخص شود که در چه نقطه‌ای رخ داده و چه مقدار فشار اعمال می‌شود. سپس می‌از این اطلاعات برای کنترل حرکات‌توان ربات استفاده کرد یا بازخوردی را به کاربر انسانی ارائه داد. این بازخورد می‌تواند به صورت اعداد و ارقام، نقشه بصری فشار روی یک نمایشگر جداگانه و یا از طریق تعاملات لمسی نظیر لرزش یا ایجاد مقاومت فیزیکی باشد.

یک مثال، یک دست مصنوعی بادیست خوب (موسسه فناوری ماساچ MIT) است که با استفاده از یک ماتریس لمسی قابل قبول است که در سراسر سطح دستگاه پخش می‌شود، لمس را حس می‌کند و آن را به احساسات لمسی می‌کند که مستقیماً روی پوست باقی می‌ماند کاربر نگاشت می‌شود.

متخصص دانشگاه «جانز هاپکینز» یک دستگاه مصنوعی مشابه ایجاد کرده است که در تغییرات فشار‌های فشاری ایجاد شده و آنها را با استفاده از یک پیوند الکترومیوگرافی (EMG) که مستقیماً به مسیر‌های عضلانی و عصبی مرتبط است، به ناظر ارسال می‌کند.

این است که پوست‌های الکترونیکی موجود و سیستم‌های بازدارنده آنها شامل اجزای متعددی هستند، از جمله عناصر حسگر، اتصالات الکتریکی، مدار‌های ارزیابی و نمایشگر‌های خارجی یا دستگاه‌های لمسی نیاز دارند. این امر به ویژه هنگام تلاش برای قرار دادن همه چیز روی سطح کوچک و قابل قبول به پیچیدگی و حجم می‌افزاید.

بسیاری از طرح‌ها همچنین به شبکه‌هایی از نقاط حسگر منفرد متکی هستند که میزان دقیق نگاشت فشار را محدود می‌کند. قرار گرفتن حسگر‌های بیشتر در یک منطقه امکان‌پذیر است را بهبود بخشد، اما سیم‌کشی و تداخل خروجی بالقوه را نیز می‌دهد. علاوه بر این، اجزای سفت و سخت یا نیمه‌سخت‌ها، چالش‌های انطباق قابل توجهی ایجاد می‌کنند. تصور کنید که پوست یک سطح صاف و سخت شما باشد.

ابزار «eLuminator» با ترکیبی از ویژگی‌ها، این مشکلات را به یکباره حل می‌کند. معلم ابتدا به جای تکیه بر سیستم‌های ویژه حسگر فشار و نمایش بصری، هر دو عملکرد را در خود پوست الکترونیکی ترکیب کرده و از یک مکانیسم حساس به فشار وارد می‌شود که مستقیماً در پاسخ به فشار، نور می‌کند. این ماده مستقیماً تحت فشار قرار می‌گیرد را به نور مرئی تبدیل می‌کند و مناطق دقیقی را لمس می‌کنند که مناطق روشن‌تر نشان‌دهنده فشار بیشتر هستند.

این امر به هر کسی که پوست را می‌کند، می‌تواند شکل دهد و با آن تماس برقرار کند، سریعاً ببیند، بدون اینکه به یک کامپیوتر برای تولید بازخورد بصری یا صفحه نمایش برای نمایش آن نیاز داشته باشد.

همین دستگاه همچنین می‌تواند هنگام اتصال به لوازم الکترونیکی خوانش، اندازه‌گیری‌های کمّی فشار الکترونیکی را ارائه دهد. به عبارت دیگر، خود پوست هم به عنوان سطح حساس به فشار و هم به عنوان سیستم بازخورد بصری عمل می‌کند.

این ابزار چگونه کار می‌کند؟ «eLuminator» شامل سه لایه اصلی است؛ یک لایه حساس به بالاتر که با هزاران ساختار میکروسکوپی گنبدی‌شکل پوشانده شده است. یک ساطع کننده نور میانی دارای ذرات سولفید روی آلاییده شده با مس و یک الکترود شفاف در پایین.

زمانی که یک ولتاژ الکتریکی متناوب به دو سر این ابزار اعمال می‌شود، یک میدان الکتریکی شکل می‌گیرد. اما این میدان در ابتدا آنقدر ضعیف است که نمی‌تواند درخشش ذرات ساطع کننده نور شود.

وقتی که انگشت خود را روی این پوست فشار می‌دهد، گنبد‌های کوچک می‌شوند. این امر سطح آنها را با لایه ساطع‌کننده نور افزایش داده و فاصله میان الکترود‌ها را کاهش می‌دهد.

این جریان را در ناحیه تحت فشار تقویت می‌کند تا جایی که به اندازه کافی قوی باشد تا ذرات را برانگیخته کرده و باعث تابش نور مرئی شود. هرچه فشار وارد کنید، میزان فشردگی بیشتر شده و نور درخشان‌تر می‌شود. آنجا که دقیقاً در همان نقطه‌های می‌دهد که فشار وارد می‌شود، درخشش حاصل می‌شود، هم شکل ناحیه تماس و هم میزان فشار در آن سطح را می‌کند.

همین فشردگی، دستگاه الکتریکی را تغییر می‌دهد؛ ویژگی‌هایی که امکان اندازه‌گیری فشار الکترونیکی را هنگام اتصال به تجهیزات سنجش می‌کند. تمام این فرآیند‌ها درون همان ماده نازک و پذیرفته‌شده رخ می‌دهد، بدون نیاز به مکان‌هایی که حسگر فشار مجزا یا نمایشگری برای مشاهده ناحیه تماس و همان نوآوری اصلی این پروژه است.

پروفسور «لیم چوی تک» (Lim Chwee Teck)، یکی از توسعه‌دهندگان این فناوری می‌گوید: این فناوری چگونه ما را با اطلاعات لمسی را دگرگون می‌کند. کاربران به جای تکیه بر سیستم‌های الکترونیکی پیچیده می‌توانند نیرو را به‌صورت آنی و همزمان با آن مشاهده کنند. امری که باعث می‌شود این روند بسیار شهودی‌تر و ملموس‌تر شود.

پژوهشگران برای ارزیابی عملکرد این پوست، مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را انجام دادند که با ساده‌ترین حالت، یعنی فشردن نوک انگشت روی سطح آغاز شد. این ابزار‌های جزئیات دقیق خطوط و شیار اثر را نشان می‌دهد که نمایانگر فضای چشمگیر ۳۰ میکرومتری (معادل ۸۴۷ نقطه در اینچ یا dpi) است. همچنین واکنش دستگاه توصیف آنی بود؛ به‌طوری که نور مرئی ظرف ۱۵ میلی‌ثانیه ساطع کرد، در حالی که سیستم الکترونیکی فشار را در حدود ۱۱۰ میلی‌ثانیه می‌داد.

این پوست قادر بود وسیعی از فشارها، از لمس‌های بسیار ملایم تا فشار‌هایی معادل ۱۸۰ کیلوپاسکال (kPa) را تشخیص دهد. همچنین، این ماده می‌توانست تا بیش از دو برابر طول خود کشیده شود و حتی از ۱۰۰ چرخه خم‌شدن و ۴۰۰ چرخه فشار مکرر، عملکردی پایدار و یکنواخت داشته باشد.

در ادامه، پژوهشگران کاربرد‌های پزشکی احتمالی این پوست را به نمایش گذاشتند. آنها با استفاده از یک مدل سه‌بعدی از پا، قابلیت نقشه‌برداری فشار را نشان می‌دهند و همچنین این پوست را به ابزار‌هایی در جراحی‌های لاپاراسکوپی متصل می‌کنند.

در مراحل شبیه‌سازی‌شده شامل بافت‌های مصنوعی، رگ‌های خونی و یک مدل آپاندیس، پوست نواحی گرفته‌شده را روشن می‌کرد و روشنایی و اندازه نواحی درخشان با اعمال نیروی بیشتر یا کمتر با تغییر می‌کرد.

اطلاعات‌برداری از فشار پا در نهایت می‌تواند به متخصصان مراقبت‌های بهداشتی کمک کند تا نواحی تحت فشار قرار بگیرند، به‌ویژه در نقشه‌ای که در خطر ابتلا به بیماری‌های پایی هستند.

اسناد همچنین نشان‌دهنده‌ای هستند که این ماده می‌تواند در حال حرکت، مانند حرکات نوشتاری را ردیابی کند، نه اینکه فقط فشار ثابت را تشخیص دهد.

سایر کاربرد‌های بالقوه شامل ارائه حس لامسه دقیق‌تر به دست‌های رباتیک، اجازه دادن به آنها بدون لمس اشیاء ظریف خرد کردن آنها و اعمال فشار حسگر‌های در اندام‌های مصنوعی برای بهبود کنترل گرفتن است.

همچنین آن را در اثر جزیی مفید انگشت می‌توان آن را برای شناسایی بیومتریک کند، در حالی که طراحی نازک و قابل قبول آن امکانات را برای دستگاه‌های پوشیدنی نظارت بر سلامت و سایر ارتباط‌های انسان و ماشین‌های می‌کند، ثبت کرد.

البته هنوز کار‌هایی باید انجام شود تا «eLuminator» از آزمایشگاه خارج شود. آزمایش اولیه به یک منبع تغذیه جریان متناوب خارجی نیاز دارد که در طول نمایش‌های کاربردی با ۱۵۰ ولت و یک کیلوهرتز کار می‌کرد. این گزینه برای چیزی که ممکن است برای پوست بپوشید یا به نوک انگشت رباتیک وصل کنید، به سختی مناسب است. بنابراین، در مورد نیاز به انرژی دستگاه را کاهش می‌دهد و آن را بهبود می‌بخشد، در حالی که این فناوری را برای کاربرد‌های کاربردی مراقبت‌های بهداشتی بیشتر توسعه می‌دهند.

این مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.