Осьминоги обучили физиков

Создан материал, который реагирует на изменения окружающей среды, как кожа моллюсков

Иван Крылов 04.03.2016, 11:02
Shutterstock

Маскироваться теперь можно с помощью «кожи осьминога» — необычайно гибкого материала, который реагирует на прикосновения и излучает свет. Как работает такая система, кто ее создал и в чем заключается ее сходство с кожей моллюсков, разбирался отдел науки «Газеты.Ru».

Большинство головоногих моллюсков, в том числе осьминоги, имеют управляемые пигментные клетки-хроматофоры, позволяющие им менять окраску и мимикрировать под цвет окружающего фона. Группа ученых из Корнелльского университета в США под руководством Криса Ларсона решила позаимствовать у природы эту идею и создала искусственный материал с похожими свойствами.

Этот материал представляет собой многофункциональную искусственную кожу, которая эластична и может реагировать на прикосновения, излучая свет.

Исследование опубликовано в журнале Science.

Создание такой кожи стало возможным благодаря разработке эластичного светоизлучающего конденсатора (HLEC — Hyperelastic Light-Emitting Capacitor). HLEC представляет собой структуру наподобие сэндвича, состоящего из пяти слоев. В центре между двумя слоями проводящих гибких гелевых электродов расположен композитный материал на основе кремниевой матрицы. Эта структура с двух сторон закрывается слоями силикона — полимерного материала, похожего на строительные герметики.

a) свечение материала изменяется, если надавить на него карандашом; б) устройство элемента HLEC... Science
a) свечение материала изменяется, если надавить на него карандашом; б) устройство элемента HLEC, состоящего из пяти слоев

Для того чтобы устройство излучало свет, ученые добавили в кремниевую матрицу сульфид цинка, который является люминофором — светится при прохождении тока через него. Материал также может быть легирован атомами переходных металлов, которые излучают свет на различных длинах волн. Например, синее свечение может быть получено с помощью легирования атомами меди, а желтое — атомами магния.

Такое устройство оказалось намного более гибким, чем существующие светоизлучатели на основе органических полупроводников. Испытания гибкости материала показывают, что

площадь его поверхности может растягиваться примерно на 500%, прежде чем внешние провода теряют контакт с гелевыми электродами.

Эластичный трехкамерный робот, на котором исследователи продемонстрировали возможности нового... Science
Эластичный трехкамерный робот, на котором исследователи продемонстрировали возможности нового материала. Робот движется за счет накачки камер, подобно механизму движения гусеницы. Различный цвет камер из-за того, что использовались различные легирующие примеси

Поскольку конденсаторы расположены в виде набора пластинок, то материал можно использовать как датчик деформации давления и растяжения. При приложении внешней нагрузки меняются расстояние между электродами отдельного конденсатора и взаимное расположение конденсаторов в материале. Это приводит к изменению емкости всего образца. Авторы работы изучили количественные характеристики этого эффекта при растяжении материала. Деформация также приводит к изменению светоизлучающих свойств.

Для того чтобы продемонстрировать возможность применения нового материала в системах гибкой электроники, исследователи создали трехкамерного робота с кожей из нового материала. Этот робот представляет собой «гусеницу» с тремя сегментами — камерами, которые могут надуваться. Если камеры расширяются линейно, то робот движется вперед, подобно настоящей гусенице.

Такая «кожа» позволяет роботу чувствовать окружающую среду и одновременно является индикатором состояния самой системы. Следить за состоянием системы, можно и контролируя электрические емкости элементов HLEC, которые являются конденсаторами.

Простое нажатие пальцем меняет емкость на 25%, а при полной накачке трех камер емкость изменяется на 1000%. Вместе с изменением емкости меняется интенсивность свечения.

Недостатком предложенной системы является слабая яркость излучения элементов HLEC по сравнению с существующими коммерческими аналогами. Чтобы увеличить яркость света, авторы предлагают использовать фотополимеры, а также оптимизировать размер легирующих частиц и толщину слоев.

Созданный учеными материал превосходит по своим параметрам предыдущие подобные разработки. Он может использоваться для создания портативных роботов, контролирующих состояние окружающей среды с помощью изменения формы, цвета и яркости. Еще одно применение такой искусственной кожи — создание активных маскировочных систем с обратной связью, наподобие тех, которые используют моллюски.