В рамках научно-технологической программы «Большие вызовы» участники направления «Новые материалы и нанотехнологии» включились в проект по созданию электронной кожи — ультратонкого чувствительного покрытия, которое может использоваться в робототехнике и протезировании. Это достигается с помощью особых датчиков, которые позволяют бионическим протезам чувствовать прикосновения так же, как это делает человеческая кожа. Под руководством научного сотрудника Балтийского федерального университета имени И. Канта Петра Ершова школьники синтезировали полимерные композиты с магнитными частицами, которые обеспечивают эту чувствительность и гибкость. В перспективе созданные материалы способны не только восстановить утраченную кожную чувствительность у людей с протезами, но и наделить роботов способностью к реалистичному тактильному восприятию окружающего мира.
Электронная кожа должна быть не только мягкой и гибкой, как настоящая, но и уметь распознавать прикосновения, передавая данные о силе нажатия. Команда проекта работает над тем, чтобы разработать особый композитный материал, в котором сочетаются полимеры и специальные магнитные частицы — микросферы железа и нанопризмы гексаферрита стронция. Они усиливают пьезоэффект, то есть возникновение электрического напряжения при деформации, благодаря чему кожа «чувствует» прикосновение.
«Наша цель — получить чувствительный материал, который можно будет использовать, например, на протезе руки. Он будет не только ощущать прикосновение, но и восприниматься на ощупь как настоящая кожа — не холодная и жёсткая, как металл, а гибкая и упругая, похожая на настоящую», — поясняет руководитель проекта, научный сотрудник Балтийского федерального университета Пётр Ершов.
В ходе экспериментов школьники на программе создавали полимерные плёнки, добавляя в них специальные магнитные частицы. Они тщательно подбирали подходящие растворители и контролировали вязкость раствора, чтобы достичь нужных характеристик материала. Каждый такой образец проходит детальный комплексный анализ. Полученные образцы имеют толщину от 100 микрон до 1 мм и способны улавливать даже небольшие физические воздействия.
«В ходе работы нам нужно было также выяснить, влияет ли форма и размер частиц на чувствительность материала. Было замечено, что с добавлением наноразмерных призм чувствительность растёт», — рассказывает Пётр Ершов.
Работа школьников включала как синтез материалов, так и последующий анализ их структуры и свойств. Участники изучали полученные образцы на микроскопах, оценивали механические и электрические параметры, проводили рамановскую спектроскопию, исследуя фазовый состав материала.
«Раньше я уже работала с необычными материалами, например с теми, которые состоят из оксидов металлов, а на этом проекте впервые изучаю полимеры. Очень интересный опыт — синтезировать плёнки, своими руками создавать композиты, анализировать, как влияет добавление тех или иных частиц. Мы даже проводили сравнение растворителей и сами оптимизировали протокол. И всё это в команде — раньше я всегда делала проекты одна», — рассказывает участница проекта София Фёдорова из Томска.
«Мы даже сами сделали установку для измерения пьезоэлектрических свойств. Придумали и собрали её, а потом написали код, чтобы снимать с неё данные. Мне очень нравится работать руками, ставить эксперименты и видеть результат. Особенно когда понимаешь, что это — реальное исследование, а не просто учебная задача», — говорит Мария Мулина из Екатеринбурга.
Проект решает сразу несколько научных задач, включая исследование влияния размера и формы частиц на чувствительность искусственной кожи, а также определение комбинации компонентов, обеспечивающей наилучший отклик. Все эти данные школьники зафиксировали в протоколах, чтобы затем подготовить полноценную научную публикацию. Полученные на проекте материалы станут частью масштабного проекта по созданию гибких сенсоров и искусственной кожи для протезирования и робототехники.
