엔지니어들은 지난 수십 년 동안 점점 더 발전된 생체모방 시스템을 개발해 왔지만, 이러한 시스템의 감지 기능은 일반적으로 인간과 다른 동물에서 관찰되는 것보다 훨씬 덜 발전되어 있습니다.

더욱 정교한 센서와 인공 피부를 설계하고 제작하면 이러한 시스템이 더욱 향상되어 주변 환경에서 광범위한 감각 정보를 정확하게 수집할 수 있습니다.

베이징 나노에너지 및 나노시스템 연구소와 칭화대학교 연구원들은 최근 오리, 비버, 수달의 일부 신체적 특징을 결합한 흥미로운 동물인 오리너구리의 감각 능력에서 영감을 받아 새로운 다중 수용체 피부를 개발했습니다.

팀의 다중 수용체 감지체계, 에 소개됨과학 발전, 로봇, 촉각 및 보철 시스템의 감지 기능을 향상시키는 데 사용될 수 있습니다.

논문의 수석 저자인 Di Wei는 Tech Xplore와의 인터뷰에서 "대화 중에 9살짜리 딸 Oriana Wei가 영국에서 본 오리너구리 다큐멘터리에 대해 이야기했습니다."라고 말했습니다."그녀는 이렇게 물었습니다. '오리너구리가 사냥을 위해 눈에 의존하지 않는 알을 낳는 포유류라는 것을 알고 계셨나요?'

"그녀의 질문은 오리너구리의 감각 능력에 대한 나의 호기심을 촉발시켰습니다. 이 호기심은 오리너구리의 놀라운 감각 시스템에 대한 더 깊은 탐구로 이어졌고 궁극적으로 이 연구에 영감을 주었습니다."

오리너구리는 다른 다양한 수생 동물 및 알을 낳는 동물과 구별되는 독특한 이중 감각 시스템을 가지고 있습니다.이 정교한 감각 시스템을 통해 환경의 전기적, 기계적 변화를 모두 감지할 수 있어 시각에 의존하지 않고도 먹잇감이나 잠재적인 위협을 찾아내는 능력이 향상됩니다.

"우리는 오리너구리의 능력을 복제하는 것을 목표로 삼았습니다.인공 피부Wei는 "촉각 기능과 원격 인식 기능을 모두 결합한 것입니다. 우리의 주요 목표는 인공 시스템의 인식 범위를 확장하여 로봇이 물리적 접촉에만 의존하지 않고 환경을 감지하고 상호 작용할 수 있도록 하는 것이었습니다."라고 말했습니다.

"이는 효과적으로 작동하기 위해 직접적인 접촉에 의존하는 기존 촉각 센서의 한계를 극복하여 로봇 응용 분야의 상호 작용 및 제어를 크게 향상시킬 수 있습니다."

Wei와 그의 동료들이 개발한 오리너구리에서 영감을 받은 피부 디자인은 접촉 전기화와 정전기 유도라는 두 가지 핵심 원리를 기반으로 합니다.다른 물질과 접촉하면 두 물질의 전자구름이 겹쳐지면서 전자의 이동이 촉진돼 궁극적으로 마찰전기가 발생한다.이를 통해 피부는 촉각 자극을 인식할 수 있습니다.

멀리서 감각 정보를 수집하기 위해(예: 원격 인식) 피부는 대신 정전기 유도에 의존합니다.본질적으로, 피부의 기반이 되는 엘라스토머의 나노입자 구조적 도핑은 유전체 분극을 향상시켜 대전된 물체가 근처에 있을 때 시스템이 전기장의 변화를 감지할 수 있게 해줍니다.

“구성 면에서 다중 수용체 피부는 단일 전극 디자인을 따릅니다.”라고 Wei는 설명했습니다."이것은 PTFE 및 PDMS 박막, 유전 특성을 높이기 위해 무기 비금속 나노입자가 내장된 구조화된 도핑된 엘라스토머, 전극 역할을 하는 은나노와이어(AgNW) 층, 유연성과 보호 기능을 제공하는 PDMS 캡슐형 기판으로 구성됩니다."

Wei와 그의 동료가 개발한 감지 시스템의 주요 장점은 오리너구리의 전기 수용 및 기계 수용 기능을 모방한 이중 감각 설계입니다.이 독특한 디자인을 통해 피부는 물체를 만질 때나 멀리 있을 때나 물체를 정확하게 감지하고 높은 감도로 촉각 정보를 수집할 수 있습니다.

Wei는 "일반적으로 근접성 또는 기본 정전용량의 변화를 감지하는 데 의존하는 기존의 비접촉 또는 사전 접촉 센서와 달리 다중 수용체 피부는 향상된 분극 메커니즘을 통해 근본적으로 다른 접근 방식을 제공합니다"라고 말했습니다.

"기존 시스템은 약한 전하 상호 작용이나 표면 수준 전하 감지로 인해 감도와 정밀도의 한계로 인해 어려움을 겪는 경우가 많습니다. 우리 시스템은 구조화된 도핑된 엘라스토머를 활용하여 전하 포착을 향상시켜 국지적 전기장을 증폭시키고 유전 분극을 향상시킵니다."

팀의 오리너구리에서 영감을 받은 피부는 딥러닝 기술과 결합하여 99.56% 정확도로 물질을 빠르게 식별하고 멀리 있는 물체를 감지하는 등 매우 유망한 결과를 얻었습니다.

다양한 환경에서 전하를 조절하고 물체를 감지하는 데 종종 어려움을 겪는 기존 감지 시스템과 비교할 때 다중 수용체 피부는 전하를 더 잘 제어하는 ​​동시에 동적 실제 환경에서 안정성을 유지하는 것으로 나타났습니다.

“우리는 오리너구리의 전기수용 메커니즘을 포괄적으로 복제했습니다.”라고 Wei는 말했습니다."구체적으로 우리는 엘라스토머에 있는 나노입자의 구조화된 도핑이 오리너구리의 부리에 있는 고도로 정렬된 전기 수용체 배열과 일치한다는 것을 발견했습니다. 이 독특한 디자인은 감도를 크게 향상시켜 정확한 전하 포착을 가능하게 합니다.

"추가로 우리는 다중 수용체 피부의 강한 전기 음성도가 오리너구리의 단일 극성 수용체를 반영하여 자연 시스템과 유사한 동적 전하 제어를 달성한다는 사실을 발견했습니다."

이 연구팀이 디자인한 피부는 원격 인식 시스템이라고도 알려진 멀리 있는 물체를 감지할 수 있는 새로운 기술 개발에 기여할 수 있습니다.이러한 시스템은 극한 기후에서의 환경 모니터링부터 인간-기계 상호 작용 및 자율 로봇 탐색에 이르기까지 광범위한 실제 응용 프로그램을 가질 수 있습니다.

"실질적인 측면에서 촉각과 원격 인식을 결합한 오리너구리의 이중 감각 시스템의 생체 영감 복제는 다중 모드 감지의 주요 발전을 의미합니다."라고 Wei는 말했습니다."이 혁신은 기존 비접촉 센서의 한계를 해결하여 까다로운 환경에서도 더욱 정확하고 안정적인 성능을 제공합니다."

Wei와 그의 동료들의 최근 연구는 이중 감각 설계에 의존하는 다른 감지 시스템의 개발을 위한 길을 열었습니다.한편, 연구원들은 다중 수용체 시스템의 다양성을 강화하고 대규모 배포를 촉진함으로써 다중 수용체 시스템을 더욱 개선하기 위해 노력하고 있습니다.

Wei는 "우리의 향후 연구는 인공 지능의 심층 통합뿐만 아니라 재료 혁신을 발전시켜 전기장 감지 범위와 정밀도를 확장함으로써 전자 수용체의 기능을 향상시키는 데 중점을 둘 것"이라고 말했습니다.

"구체적으로 우리는 극단적이거나 예측할 수 없는 환경에서 시스템의 적응성과 견고성을 향상시키는 것을 목표로 하고 있습니다. 또한 추가적인 감각 양식을 통합하여 전자 수용체를 개선하여 더 복잡한 자극에 반응하고 더 넓은 범위의 인식을 제공할 수 있도록 할 것입니다."

다음 연구의 일환으로 Wei와 그의 동료들은 시스템의 데이터 처리 기능을 최적화하여 데이터를 안정적으로 처리하고 실시간으로 물체를 정확하게 감지할 수 있도록 노력할 것입니다.이는 자율 주행 차량 및 인간-기계 인터페이스와 같이 감각 데이터의 빠른 처리가 필요한 애플리케이션에 특히 유리할 수 있습니다.

Wei는 "원격 인식 및 감각 기술의 경계를 확장함으로써 첨단 로봇 공학, 의료 기기 등에서 피부의 적용 가능성을 확대할 수 있기를 희망합니다"라고 덧붙였습니다.

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