نسل جدید پوست الکترونیکی با قابلیت حس کردن نور

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

این پوست که «ای‌لومینیتور» (eLuminator) نام دارد، دقیقاً نشان می‌دهد که فشار در کدام نقطه و با چه شدتی اعمال شده است؛ گویی پوستی است که به یک صفحه نمایش مجهز شده باشد.

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

عملکرد این فناوری بدین صورت است که فشار فیزیکی را مستقیماً به الگو‌های نوری قابل‌مشاهده تبدیل می‌کند. بدین ترتیب، کاربر می‌تواند شکل و نحوه توزیع تماس را تقریباً به‌صورت آنی مشاهده کند، بدون آنکه نیازی به نمایشگر جداگانه یا پردازش‌های پیچیده سیگنالی باشد.

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

از کاربرد‌های احتمالی این فناوری می‌توان 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 می‌کنیم که هنگام لمس، گرفتن یا فشردن یک شیء، چه میزان فشار اعمال می‌شود. همین فرآیند در شرایط معکوس نیز رخ می‌دهد. برای مثال، وقتی تخم‌مرغی را برمی‌داریم، پایانه‌های عصبیِ تخصصی در پوستمان بلافاصله فشار و تغییر شکلِ ایجادشده را تشخیص می‌دهند. سپس سیگنال‌هایی به مغز ارسال می‌شود که به ما کمک می‌کند شدتِ گرفتنِ آن شیء را ارزیابی کرده و میزان نیروی دستمان را متناسب با آن تنظیم کنیم. به همین دلیل است که می‌توانیم تفاوت میان یک ضربه محبت‌آمیز و آرام را با یک سیلی محکم تشخیص دهیم.

با این حال، بازسازی این حس لامسه در ماشین‌ها کمی پیچیده‌تر است. دانشمندان پوست‌های الکترونیکی مصنوعی ساخته‌اند که به ربات‌ها، اندام‌های مصنوعی (پروتزها) و تجهیزات پزشکی امکان می‌دهد تماس فیزیکی را تشخیص داده و میزان فشار را اندازه‌گیری کنند. این پوست‌ها معمولاً شامل آرایه‌ای از حسگر‌های فشار بسیار کوچک هستند که نیروی واردشده را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند.

این سیگنال‌ها به یک رایانه یا کنترل‌کننده الکترونیکی ارسال می‌شوند تا با پردازش داده‌ها مشخص شود که تماس در چه نقطه‌ای رخ داده و چه مقدار فشار اعمال شده است. سپس می‌توان از این اطلاعات برای کنترل حرکات 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 خوب، یک دست مصنوعی بادی ساخته محققان موسسه فناوری ماساچوست (MIT) است که با استفاده از یک ماتریس لمسی انعطاف‌پذیر که در سراسر سطح دستگاه پخش شده است، لمس را حس می‌کند و آن داده‌ها را به احساسات لمسی فیزیکی تبدیل می‌کند که مستقیماً روی بافت پوست باقی‌مانده کاربر نگاشت می‌شوند.

محققان دانشگاه «جانز هاپکینز» یک دستگاه مصنوعی مشابه ایجاد کرده‌اند که در عوض متغیر‌های فشار را نگاشت کرده و آنها را با استفاده از یک پیوند الکترومیوگرافی (EMG) که مستقیماً به مسیر‌های عضلانی و عصبی عمیق متصل است، به ناظر ارسال می‌کند.

مشکل این است که پوست‌های الکترونیکی موجود و سیستم‌های بازخورد آنها اغلب به اجزای جداگانه متعددی، از جمله عناصر حسگر، اتصالات الکتریکی، مدار‌های پردازش سیگنال و نمایشگر‌های خارجی یا دستگاه‌های لمسی نیاز دارند. این امر، به خصوص هنگام تلاش برای قرار دادن همه چیز روی سطوح کوچک و انعطاف‌پذیر 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 دادن حسگر‌های بیشتر در یک منطقه می‌تواند وضوح را بهبود بخشد، اما سیم‌کشی و تداخل سیگنال بالقوه را نیز افزایش می‌دهد. علاوه بر این، اجزای سفت و سخت یا نیمه‌سخت چالش‌های انطباق قابل توجهی ایجاد می‌کنند. تصور کنید که پوست شما یک سطح سفت و سخت و انعطاف‌ناپذیر باشد.

ابزار «eLuminator» با ترکیب چندین رویکرد، این مشکلات را به یکباره حل می‌کند. محققان ابتدا به جای تکیه بر سیستم‌های جداگانه حسگر فشار و نمایشگر بصری، هر دو عملکرد را در خود پوست الکترونیکی ترکیب کرده‌اند و از یک ساختار حساس به فشار پیوسته استفاده می‌کنند که مستقیماً در پاسخ به فشار، نور تولید می‌کند. این ماده مستقیماً فشار اعمال شده را به نور مرئی تبدیل می‌کند و مناطق دقیق لمس شده را روشن می‌کند که مناطق روشن‌تر نشان‌دهنده فشار بیشتر هستند.

هنگامی که یک ولتاژ الکتریکی متناوب به دو سرِ این وسیله اعمال می‌شود، یک میدان الکتریکی شکل می‌گیرد؛ اما این میدان در ابتدا آنقدر ضعیف است که نمی‌تواند باعث درخشش ذرات ساطع‌کننده نور شود

این امر به هر کسی که پوست را مشاهده می‌کند، این امکان را می‌دهد که شکل و توزیع تماس را تقریباً فوری ببیند، بدون اینکه به یک کامپیوتر جداگانه برای تولید بازخورد بصری یا صفحه نمایش برای نمایش آن نیاز داشته باشد.

همین دستگاه همچنین می‌تواند هنگام اتصال به لوازم الکترونیکیِ 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 دقیقاً چگونه کار می‌کند؟ «eLuminator» شامل سه لایه اصلی است؛ یک لایه حساس به فشار بالایی که با هزاران ساختار میکروسکوپی گنبدی‌شکل پوشانده شده است؛ یک لایه ساطع کننده نور میانی حاوی ذرات سولفید روی آلاییده شده با مس و یک الکترود شفاف در پایین.

هنگامی که یک ولتاژ الکتریکی متناوب به دو سرِ این وسیله اعمال می‌شود، یک میدان الکتریکی شکل می‌گیرد؛ اما این میدان در ابتدا آنقدر ضعیف است که نمی‌تواند باعث درخشش ذرات ساطع‌کننده نور شود.

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

این فرآیند میدان الکتریکی را در ناحیه تحت فشار تقویت می‌کند تا جایی که به اندازه کافی قوی شود تا ذرات را برانگیخته کرده و باعث تابش نور مرئی شود. هرچه فشار بیشتری وارد کنید، میزان فشردگی بیشتر شده و نور درخشان‌تر می‌شود. از آنجا که این اتفاق دقیقاً در همان نقطه‌ای رخ می‌دهد که فشار اعمال شده است، درخشش حاصل، هم شکل ناحیه تماس و هم نحوه توزیع فشار در آن سطح را آشکار می‌کند.

همین فشردگی، ظرفیت الکتریکی دستگاه را نیز تغییر می‌دهد؛ ویژگی‌ای که امکان اندازه‌گیری الکترونیکی فشار را هنگام اتصال به تجهیزات سنجش فراهم می‌کند. تمام این فرآیند‌ها درون همان ماده نازک و انعطاف‌پذیر رخ می‌دهد، بدون آنکه نیازی به نقاط حسگر فشار مجزا یا نمایشگری جداگانه برای مشاهده ناحیه تماس باشد و این همان نوآوری اصلی این پروژه است.

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

پژوهشگران برای ارزیابی عملکرد این پوست مصنوعی، مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را انجام دادند که با ساده‌ترین حالت، یعنی فشردن نوک انگشت روی سطح آن آغاز شد. این ابزار توانست جزئیات دقیق خطوط و شیار‌های اثر انگشت را بازسازی کند که نشان‌دهنده وضوح فضایی چشمگیر ۳۰ میکرومتری (معادل ۸۴۷ نقطه در اینچ یا dpi) است. همچنین واکنش دستگاه تقریباً آنی بود؛ به‌طوری که نور مرئی ظرف ۱۵ میلی‌ثانیه ساطع شد، در حالی که سیستم الکترونیکی سنجش فشار، داده‌ها را در حدود ۱۱۰ میلی‌ثانیه ارائه می‌داد.

این پوست قادر بود طیف 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 اولیه خود کشیده شود و حتی پس از ۱۰۰۰ چرخه خم‌شدن و ۴۰۰۰ چرخه اعمال 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 دادند و همچنین این پوست را به ابزار گیره در جراحی‌های لاپاراسکوپی متصل کردند.

در مراحل شبیه‌سازی‌شده شامل بافت 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 توسط دستگاه تغییر می‌کرد.

اطلاعات نقشه‌برداری از فشار پا در نهایت می‌تواند به متخصصان مراقبت‌های بهداشتی کمک کند تا نواحی تحت فشار بیش از حد را شناسایی کنند، به‌ویژه در بیمارانی که در معرض خطر زخم پای دیابتی هستند.

محققان همچنین نشان دادند که این ماده می‌تواند تماس در حال حرکت، مانند حرکات نوشتاری را ردیابی کند، نه اینکه فقط فشار ثابت را تشخیص دهد.

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

همچنین توانایی آن در ثبت جزئیات دقیق اثر انگشت می‌تواند آن را برای شناسایی بیومتریک مفید کند، در حالی که طراحی نازک و انعطاف‌پذیر آن امکاناتی را برای دستگاه‌های پوشیدنی نظارت بر سلامت و سایر رابط‌های انسان و ماشین فراهم می‌کند.

البته هنوز کار‌هایی باید انجام شود تا «eLuminator» از آزمایشگاه خارج شود. ابتدا سیستم آزمایشی به یک منبع تغذیه جریان متناوب خارجی نیاز داشت که در طول نمایش‌های کاربردی با ۱۵۰ ولت و یک کیلوهرتز کار می‌کرد. این تنظیمات برای چیزی که ممکن است بخواهید روی پوست خود بپوشید یا به نوک انگشت رباتیک وصل کنید، به سختی مناسب است؛ بنابراین محققان در تلاش هستند تا نیاز‌های انرژی دستگاه را کاهش داده و حساسیت آن را بهبود بخشند، در حالی که این فناوری را برای کاربرد‌های عملی مراقبت‌های بهداشتی بیشتر توسعه می‌دهند.

این مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.