Pele eletrônica antecipa e percebe o toque de diferentes direções pela primeira vez

Uma equipe de pesquisa de Chemnitz e Dresden deu um grande passo à frente no desenvolvimento de pele eletrônica sensível (e-skin) com pêlos artificiais integrados. E-skins são sistemas eletrônicos flexíveis que tentam imitar a sensibilidade de suas contrapartes naturais da pele humana. As aplicações vão desde substituição de pele e sensores médicos no corpo até pele artificial para robôs humanóides e andróides.

Pequenos pêlos superficiais podem perceber e antecipar a menor sensação tátil na pele humana e até reconhecer a direção do toque. Os sistemas eletrônicos modernos de pele carecem dessa capacidade e não podem coletar essas informações críticas sobre sua vizinhança.

A equipe de pesquisa explorou um novo caminho para desenvolver sensores de campo magnético 3D extremamente sensíveis e dependentes de direção que podem ser integrados a um sistema de e-skin (matriz ativa). A equipe usou uma abordagem completamente nova para miniaturização e integração de matrizes de dispositivos 3D e deu um grande passo para imitar o toque natural da pele humana. Os pesquisadores relataram seus resultados na revista Nature Communications.

Christian Becker, primeiro autor do estudo, disse:“Nossa abordagem permite um arranjo espacial preciso de elementos sensores funcionais em 3D que podem ser produzidos em massa em um processo de fabricação paralelo. Tais sistemas de sensores são extremamente difíceis de gerar por métodos de fabricação microeletrônicos estabelecidos.”

O núcleo do sistema de sensores apresentado pela equipe de pesquisa é um sensor de magnetorresistência anisotrópica (AMR). Um sensor AMR pode ser usado para determinar com precisão as mudanças nos campos magnéticos. Eles são usados ​​atualmente, por exemplo, como sensores de velocidade em carros ou para determinar a posição e o ângulo de componentes móveis em uma variedade de máquinas.

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Para desenvolver o sistema de sensores altamente compacto, os pesquisadores aproveitaram o chamado “processo de micro-origami”. Este processo é usado para dobrar os componentes do sensor AMR em arquiteturas tridimensionais que podem resolver o campo vetorial magnético em três dimensões.

O micro-origami permite que um grande número de componentes microeletrônicos se encaixem em um pequeno espaço e os organizem em uma geometria que não é alcançável por nenhuma tecnologia convencional de microfabricação. “Os processos de micro-origami foram desenvolvidos há mais de 20 anos e é maravilhoso ver como todo o potencial desta tecnologia elegante pode agora ser explorado para novas aplicações microeletrônicas”, disse o Prof. Oliver G. Schmidt.

A equipe de pesquisa integrou a matriz de sensores magnéticos de micro-origami 3D em uma única matriz ativa, onde cada sensor individual pode ser convenientemente abordado e lido por circuitos microeletrônicos. “A combinação de sensores magnéticos de matriz ativa com arquiteturas de micro-origami de automontagem é uma abordagem completamente nova para miniaturizar e integrar sistemas de detecção 3D de alta resolução”, disse o Dr. Daniil Karnaushenko, que contribuiu decisivamente para o conceito, design e implementação do projeto.

A equipe de pesquisa conseguiu integrar os sensores de campo magnético 3D com cabelos finos magneticamente enraizados em uma e-skin artificial. A e-skin é feita de um material elastomérico no qual a eletrônica e os sensores estão embutidos – semelhante à pele orgânica, que é entrelaçada com nervos.

Quando o cabelo é tocado e se dobra, o movimento e a posição exata da raiz magnética podem ser detectados pelos sensores magnéticos 3D subjacentes. A matriz do sensor é, portanto, não apenas capaz de registrar o movimento nu do cabelo, mas também determina a direção exata do movimento. Tal como acontece com a pele humana real, cada cabelo em uma e-skin torna-se uma unidade de sensor completa que pode perceber e detectar mudanças nas proximidades.

O acoplamento magneto-mecânico entre o sensor magnético 3D e a raiz magnética do cabelo em tempo real fornece um novo tipo de percepção sensível ao toque. Essa capacidade é de grande importância quando humanos e robôs trabalham juntos. Por exemplo, o robô pode detectar interações com um companheiro humano com bastante antecedência, com muitos detalhes, pouco antes de um contato pretendido ou uma colisão não intencional estar prestes a ocorrer.