Эти роботы чувствуют опасность, как живые: гениальное изобретение учёных, подсмотренное у природы

Природа, гениальный инженер, снова приходит на помощь ученым. Вдохновившись скорпионами, они разработали новые датчики давления — для роботов и не только. Эти датчики, имитирующие механосенсорные системы скорпионов, способны улавливать малейшие изменения давления и могут быть использованы в различных областях, от робототехники до медицины.

В современной технике датчики давления чрезвычайно востребованы — от медицинских устройств и промышленных систем управления до робототехники и интерфейсов "человек-машина". Датчики давления играют важную роль в различных технологиях и областях науки.

Кремниевые пьезорезистивные датчики: простота и ограничение в диапазоне давлений

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. Традиционные датчики давления имеют ограничения в чувствительности и диапазоне измерений.

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. Природа создала эффективную систему для улавливания малейших изменений давления.

Датчик "как у скорпионов”: ловушки напряжения и блоки подавления изгиба

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. Новый датчик давления имитирует структуру и функцию механосенсорных систем скорпионов.

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". "Роботы-скорпионы” демонстрируют способность к адаптации и реагированию на изменения в окружающей среде.

Повышение эффективности: использование конструктивных решений, вдохновленных насекомыми

"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.

Использование биомимикрии может привести к созданию более эффективных и совершенных технологий.

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. Новые датчики давления могут значительно улучшить возможности роботов по восприятию и взаимодействию с окружающей средой.

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. Датчики, вдохновленные скорпионами, могут быть использованы для создания более точных и чувствительных медицинских устройств.

Интересные факты о скорпионах

Скорпионы существуют на Земле более 400 миллионов лет.
Скорпионы способны выживать в экстремальных условиях, таких как пустыни и горы.
Некоторые виды скорпионов обладают ядом, который может быть опасен для человека.

В заключение, создание новых датчиков давления, вдохновленных механосенсорными системами скорпионов, является ярким примером того, как природа может вдохновлять на создание инновационных технологий. Эти датчики открывают новые перспективы для робототехники, медицины и других областей науки и техники.