Скорпионоподобные датчики давления научили роботов чувствовать воздух

Современные датчики давления сталкиваются с технической проблемой — невозможностью одновременно обеспечить высокую чувствительность и работу в широком диапазоне давлений. Кремниевые пьезорезистивные датчики, которые широко используются в медицине, промышленности и робототехнике, заставляют инженеров выбирать между этими характеристиками. Увеличение чувствительности обычно приводит к снижению линейности измерений и сужению рабочего диапазона.

Живые организмы за миллионы лет эволюции решили подобные задачи гораздо эффективнее. Скорпионы, обладающие слабым зрением, развили исключительно точную механосенсорную систему для выживания в сложных условиях. Их органы чувств включают два типа структур: тонкие волоски-трихоботрии, улавливающие изменения воздушных потоков, и щелевидные сенсиллы на панцире, воспринимающие вибрации от земли.

Вдохновленные медузами мягкие роботы превзошли живых собратьев Инженеры разработали мягких роботов, внешне похожих на медуз. Новая конструкция позволяет им быть более мощными и производительными, чем предыдущие модели, и двигаться быстрее самих животных. naked-science.ru

Исследователи из Цзилиньского университета детально изучили строение этих органов чувств. Они обнаружили, что щели на панцире скорпиона работают как «ловушки напряжений», концентрируя механическую энергию в шесть раз эффективнее окружающих тканей. Волоски-трихоботрии имеют специальную когтеобразную структуру у основания, которая подавляет нелинейные деформации и обеспечивает высокую точность восприятия. Научная статья опубликована в журнале Science Advances.

Ученые воспроизвели принципы работы скорпионьих сенсоров в кремниевом чипе. На верхней стороне устройства разместили горизонтальные «ловушки напряжений» вокруг четырех пьезорезисторов для усиления чувствительности. На нижней стороне создали вертикальные элементы подавления изгиба, которые уменьшают нелинейные деформации и повышают точность измерений.

Высокоточный датчик давления, созданный по образцу механических сенсилл скорпионов. (A) Соматосенсорная система скорпионов. (i) Трихоботрии. (ii) Щелевидные сенсиллы. (iii) Скорпион H. petersii. (B) Строение BPPS и (C) цифровое изображение. (D) Принцип работы. Внешние раздражители вызывают перепад давления на чувствительной мембране, BPPS вырабатывает соответствующее напряжение. (E) Датчик может детектировать давление, скорость воздушного потока и высоту над уровнем моря. / © Pinkun Wang et.al./Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.ady5008

Компьютерное моделирование показало преимущества биоинспирированной конструкции перед традиционными решениями. Исследователи сравнили пять различных типов мембранных структур и обнаружили, что их дизайн обеспечивает максимальную концентрацию напряжений при минимальных деформациях. Элементы подавления изгиба снизили прогиб мембраны на 31% по сравнению с обычными конструкциями.

Экспериментальные испытания подтвердили высокие характеристики нового датчика. Устройство показало чувствительность 65,56 милливольта на вольт на килопаскаль при коэффициенте линейности 0,99934 в диапазоне от нуля до 500 килопаскалей. Время отклика составило 10 миллисекунд, время восстановления — четыре миллисекунды. Датчик сохранял стабильные характеристики после 20 000 циклов нагружения.

Датчики продемонстрировали способность различать типы воздушных потоков: ламинарный, переходный и турбулентный. С помощью алгоритмов машинного обучения система распознавала приближающиеся объекты разной формы с точностью свыше 85%. Для проверки возможностей технологии ученые установили четыре датчика на шестиногого робота, который научился избегать крупные объекты как «хищников» и приближаться к мелким как к «добыче».

Робот успешно реагировал на приближение картонных коробок разного размера, двигающихся со скоростью 0,25 метра в секунду. При обнаружении малого объекта датчики выдавали сигнал 22,6 милливольта, и робот поворачивался в его сторону. Крупные объекты вызывали отклик 100,8 милливольта, заставляя робота отступать.

Антропоморфные роботы повысили эффективность работы человека больше, чем программы Роботы-помощники применяются сегодня в первую очередь как автоматизированные системы и устройства, облегчающие или ускоряющие выполнение рутинных задач. Но с развитием искусственного интеллекта обл… naked-science.ru

Новые датчики открывают широкие перспективы для робототехники и медицины. В отличие от оптических систем, они работают в темноте, при наличии дыма или тумана. Устройства могут значительно улучшить навигацию роботов в сложных условиях и найти применение в системах медицинского мониторинга для регистрации слабых физиологических сигналов. Исследователи планируют адаптировать технологию для установки на изогнутые поверхности гуманоидных роботов, что потребует решения инженерных задач по предотвращению взаимных помех между датчиками.