過去数十年にわたり、技術者たちは生物からインスピレーションを得てますます高度なシステムを開発してきましたが、これらのシステムのセンシング能力は通常、人間や他の動物で観察されるものよりもはるかに進んでいません。

より洗練されたセンサーと人工皮膚の設計と製造により、これらのシステムがさらに改善され、周囲から広範囲の感覚情報を正確に収集できるようになる可能性があります。

北京ナノエネルギー・ナノシステム研究所と清華大学の研究者らは最近、アヒル、ビーバー、カワウソのいくつかの身体的特徴を組み合わせた興味深い動物であるカモノハシの感覚能力にヒントを得て、新しいマルチレセプター皮膚を開発した。

チームのマルチレセプターセンシングシステムで紹介された科学の進歩、ロボット、触覚および義肢システムの感知能力を高めるために使用できる可能性があります。

「会話中に、9歳の娘、オリアナ・ウェイが英国で見たカモノハシのドキュメンタリーについて話してくれました」と論文の筆頭著者ディ・ウェイはTech Xploreに語った。「彼女はこう尋ねました。『カモノハシは、狩りに目に頼らない卵を産む哺乳類だということを知っていましたか？』

「彼女の質問は、カモノハシの感覚能力についての私の好奇心を引き起こしました。この好奇心がカモノハシの驚くべき感覚システムのより深い探求につながり、最終的にこの研究にインスピレーションを与えました。」

カモノハシは、他のさまざまな水生動物や卵を産む動物とは一線を画す、独特の二重感覚システムを持っています。この洗練された感覚システムにより、環境の電気的および機械的変化の両方を検出できるようになり、視覚に頼らずに獲物や潜在的な脅威を発見する能力が強化されます。

「私たちはカモノハシの能力を再現することを目指しました。人工皮膚「私たちの主な目標は、人工システムの知覚範囲を拡大し、ロボットが物理的接触だけに頼らずに環境を検出し、環境と対話できるようにすることでした。」とウェイ氏は述べています。

「これにより、ロボット応用における対話と制御が大幅に強化され、効果的に機能するために直接接触に依存する従来の触覚センサーの限界が克服される可能性があります。」

ウェイ氏らによって開発されたカモノハシにヒントを得たスキン デザインは、接触帯電と静電誘導という 2 つの重要な原理に基づいています。別の材料に接触すると、2 つの材料内の電子雲の重なりによって電子の移動が促進され、最終的に摩擦電気が発生します。これにより、皮膚が触覚刺激を認識できるようになります。

遠くから感覚情報（つまり遠隔知覚）を収集するために、皮膚は代わりに静電誘導に依存します。基本的に、皮膚の基になっているエラストマー内のナノ粒子の構造化ドーピングにより誘電分極が強化され、帯電した物体が近くにあるときにシステムが電場の変化を検出できるようになります。

「構成に関して言えば、マルチレセプター皮膚は単一電極設計に従っています」とウェイ氏は説明した。「これは、PTFE と PDMS の薄膜、誘電特性を高めるために無機非金属ナノ粒子が埋め込まれた構造化ドープ エラストマー、電極として機能する銀ナノワイヤ (AgNW) 層、および柔軟性と保護を提供する PDMS カプセル化基板で構成されています。」

Wei らによって開発された感知システムの主な利点は、カモノハシの電気受容能力と機械受容能力を模倣した二重感覚設計です。このユニークなデザインにより、皮膚は物体に触れたときと遠くからの両方で、物体を正確に検出し、高感度で触覚情報を収集できます。

「通常、近接または基本的な静電容量の変化の検出に依存する従来の非接触または事前接触センサーとは異なり、当社のマルチレセプタースキンは、強化された分極メカニズムを通じて根本的に異なるアプローチを提供します」とウェイ氏は述べています。

「従来のシステムは、電荷の相互作用が弱いため、または表面レベルの電荷検出が原因で、感度や精度に限界があることがよくありました。当社のシステムは、局所的な電場を増幅し、誘電分極を高める構造化ドープエラストマーを利用することで電荷捕捉を強化しています。」

深層学習技術と組み合わせることで、チームのカモノハシからインスピレーションを得た皮膚は非常に有望な結果を達成し、99.56% の精度で物質を迅速に識別したり、遠くにある物体を検出したりすることが可能になりました。

さまざまな環境で電荷を調整し、物体を検出するのに苦労することが多い従来のセンシングシステムと比較して、マルチレセプタースキンは、動的な現実世界の設定でも安定性を維持しながら、電荷をより適切に制御できることが判明しました。

「私たちはカモノハシの電気受信メカニズムを完全に再現しました」とウェイ氏は語った。「具体的には、エラストマー中のナノ粒子の構造化されたドーピングが、カモノハシのくちばし上の高度に秩序だった電気受容体の配置に対応していることを発見しました。このユニークな設計により、感度が大幅に向上し、正確な電荷の捕捉が可能になります。」

「さらに、多重受容体の皮膚の強い電気陰性度がカモノハシの単一極性受容体を反映しており、その自然システムに似た動的電荷制御を実現していることも発見しました。」

この研究者チームが設計したスキンは、遠隔知覚システムとしても知られる、遠くから物体を感知できる新技術の開発に貢献する可能性がある。これらのシステムは、極端な気候での環境監視から人間と機械の相互作用やロボットの自律ナビゲーションに至るまで、幅広い現実世界に応用できる可能性があります。

「実際的な観点から言えば、触覚と遠隔知覚の両方を組み合わせたカモノハシの二重感覚システムの生物由来の複製は、マルチモーダルセンシングにおける大きな進歩を意味します」とウェイ氏は述べた。「このブレークスルーは従来の非接触センサーの限界に対処し、困難な環境においてより正確で信頼性の高いパフォーマンスを可能にします。」

Wei氏らによる最近の研究は、二重感覚設計に依存する他の検知システムの開発への道を開く可能性がある。一方、研究者らは、マルチレセプターシステムの汎用性を高め、大規模展開を容易にすることで、マルチレセプターシステムをさらに改良することに取り組んでいます。

「私たちの将来の研究は、人工知能のより深い統合だけでなく、材料の革新を進めて電界感知範囲と精度を拡張することによって、電子受容体の能力を強化することに焦点を当てます」とウェイ氏は述べた。

「特に、極端な環境や予測不可能な環境におけるシステムの適応性と堅牢性を向上させることを目指しています。さらに、追加の感覚モダリティを組み込むことで電子受容体を改良し、より複雑な刺激に反応し、より広範囲の知覚を提供できるようにします。」

今後の研究の一環として、ウェイ氏らはシステムのデータ処理能力の最適化も試み、データを確実に処理し、リアルタイムで物体を正確に検出できるようにする予定だ。これは、自動運転車やヒューマン マシン インターフェイスなど、感覚データの高速処理が必要なアプリケーションにとって特に有利となる可能性があります。

「遠隔知覚と感覚技術の限界を押し広げることで、私たちはまた、高度なロボット工学や医療機器などにおける皮膚の適用可能性を拡大したいと考えています」とウェイ氏は付け加えた。

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