Наступает эпоха электротактильности

Требования робототехники вынуждают инженеров и ученых создавать сверхчувствительные аналоги дистанционного управления

Напальчники и наладонный патч
с электродами. Фото Physorg

Не так давно исполнилось 100 лет со дня открытия удивительно сохранной и не разграбленной еще в древности гробницы Тутанхамона. Среди более чем 5 тыс. самых разных предметов, обнаруженных в этой небольшой гробнице, были помимо золотых сандалий юного фараона золотые же напальчники с хорошо ухоженными «ногтями». Говард Картер, открыватель захоронения, долго ломал голову, для чего нужны были эти «наперстки». Оказалось, что фараоновых дланей не должны были касаться «смерды» – они могли только лобызать золотые овершия перстов бессмертного, отошедшего в иной мир.

«Такт-» – эта морфема означает легкое прикосновение (touch), отсюда – тактильная чувствительность, или пятое чувство. Оно генерируется нервными окончаниями, в оболочке которых имеются белковые (протеиновые) каналы. Давление, оказываемое на кожу, включает эти протеины. В их толще открываются каналы, по которым ионы проникают в цитоплазму клеток. Приток ионов ведет к генерации нервного импульса, подаваемого в мозг. А мозг, в свою очередь, реагирует чувством удовольствия или «требует» как можно быстрее отдернуть руку или ногу, например, от горячего. За открытие этих клеточных каналов не так давно присудили Нобелевскую премию.

Успехи нанотехнологий, использующие разные воздействия на клетки и ткани, демонстрируют все более активное внедрение их в биомедицину. Пандемия ковида с обязательным ношением масок и чуть ли не обязательными перчатками, а также требования робототехники вынудили инженеров и конструкторов создавать аналоги дистанционного управления роботизированными манипуляторами. То есть что-то вроде ВCI (Brain-Computer Interface), в котором на первом месте не мозг, а рука. Аналог интерфейса мозг-компьютер получил название электротактильного устройства (перчатки) высокого разрешения. В режиме реального времени оно точно передает движения кисти и пальцев «оператора».

Пекинский Институт наноэлектроники предложил трибоэлектрическую («трибо» – связанное с трением; от лат. trib – соединение) сенсорику, генерирующую сигнал при контакте кожи пальцев с материалом надеваемых на кончики пальцев «наперстков». Метод назвали TENG, или трибоэлектронный наногенератор. Сигналы, генерируемые «тенгами», подаются на патч-пластырь, наклеиваемый на ладонь. Давление кончиков пальцев возбуждает сигналы генераторов трения, подаваемые затем на патч ладони. Он, в свою очередь, передает управляющие команды на руку и пальцы робота. Чувствительность такой электромеханической тактильной системы такова, что робот может легко удерживать лампу накаливания, держа ее за хрупкую грушевидную колбу.

Беспроводная схема WeTac с обратной
связью: Si – cиликоновое покрытие;
Н – гидрогель, Au/p – золото/парилен.
Иллюстрация Physorg

«Перчаточный» интерфейс создан при сотрудничестве специалистов Городского университета Гонконга и одной из компаний соседнего Шэнчжэня. Авторы работы подчеркивают, что высокого 3D-разрешения удалось достичь благодаря повышению плотности электротактильных элементов (76 точек на квадратный сантиметр) и частоты (4 кГц) быстрого обновления сигналов. Утилитарность и безопасность перчаток с чувствительными наконечниками – finger cots – обеспечивается низким напряжением, подаваемым на них: всего 13 вольт.

Ученые также сообщили в приложении к журналу Nature еще об одной схеме кодирования тактильной информации – посредством беспроводного интерфейса, «подсоединенного» к коже руки. На этот раз они использовали не TENG, а вибрацию миниатюрных магнитиков, благодаря которым замыкается обратная связь.

В качестве рабочего элемента использовали широко известную РСВ – гибкую печатную плату (Printed Circuit Board) с электронной цепью на ней. Виртуальная расширенная реальность (VR, AR) создается с помощью 32 электротактильных электродов, дающих плотность 0,28 пикселя на квадратный сантиметр. Новая электронная схема индукции тактильных сенсаций получила название WeTac – Wireless electroTactile. Она надежно и эффективно осуществляет точный контроль восприятия, репродуцируя виртуальное чувство прикосновения и контакта. Эта многообещающая техника обещает реальный прогресс во взаимодействии человека с машинами.