Włosy na nozdrzach były ważnym elementem w ewolucji ssaków. Zwierzęta używają wąsów jako czujników do odbierania bodźców z otaczającego je świata. Zainspirowani naturą naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) oraz University of California (UC) w Stanach Zjednoczonych opracowali bardzo wrażliwe elektroniczne wąsy, które potencjalnie mogą pozwolić robotom “widzieć” i “czuć”.
Dzięki wąsom, m.in. koty i szczury wyczuwają ruchy powietrza w swoim najbliższym otoczeniu. Pomimo zamkniętych oczu odczuwają obecność kogoś, kto znajduje się z boku. Wąsy dla kota są bardzo przydatne podczas nocnych łowów, przy ograniczonej widoczności. Dodatkowo, włosy na nozdrzach wspomagają orientację w przestrzeni, określenie położenia i powierzchni przedmiotów oraz podejmowanie szybkich decyzji. Szybki rozwój nanotechnologii zaowocował stworzeniem wielu umiejętności, które do tej pory posiadały tylko istoty biologiczne. Dział nauki zajmujący się naśladowaniem zachowania i funkcjonowania natury to biomimetyka (bionika). Poprzez użycie rozwiązań opracowywanych przez miliony lat, człowiek konstruuje coraz lepsze maszyny. Informowaliśmy już o cienkiej, reagującej na dotyk elektronicznej skórze, czy e-soczewkach kontaktowych. Teraz, współpraca badaczy z dwóch amerykańskich uczelni przyniosła efekt w postaci bardzo czułych, elastycznych e-wąsów (czujników tensometrycznych). Urządzenie zbudowane z kompozytowej warstwy nanorurek węglowych i nanocząsteczek srebra reaguje na zmiany ciśnienia rzędu 1 Pa (1 N/m^2), czyli presji jaką wywiera papierowy banknot na powierzchnię stołu. Syntetyczne włosy przypominają te, jakie możemy zaobserwować u ssaków. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane 21 stycznia 2014 w internetowej edycji magazynu Proceedings of the National Academy of Sciences.
W swojej pracy inżynierowie wykorzystali nanorurki węglowe (z ang. carbon nanotubes, CNTs) oraz nanocząsteczki srebra (Ag nanoparticles, AgNPs) jako wysoce wrażliwe i mechanicznie wytrzymałe sensory. Przewodząca pasta z nanorurek z dodatkiem czynnika wiążącego tworzyła podatną na zginanie macierz, w której osadzono AgNPs zwiększające przewodność. Właściwości kompozytu można było dowolnie modyfikować poprzez zmianę stosunku wagowego składników. Za pomocą malowania lub drukowania, warstwę CNT–AgNP naniesiono na włoski o pożądanym kształcie i geometrii (szerokość ~2 mm, długość ~1 cm). Podłoże o grubości 250 mikrometrów wykonane było z elastycznego polidimetylosiloksanu (z ang. polydimethylsiloxane, PDMS). Następnie, materiał wygrzewano w temperaturze 70°C (1-2h) w celu usunięcia pozostałości po rozpuszczalnikach, zwiększenia wytrzymałości mechanicznej i przewodności składników.
Górna powłoka zawierała 5% wagowych nanocząsteczek srebra, dolna 30%. Badanie mechaniczne gotowego kompozytu polegało na rozciąganiu i relaksowaniu włosków (o 2% długości początkowej, 500 cykli). Oporność górnej warstwy wynosiła 5,4×10^-2 Ω/cm przy 3,4×10^-4 Ω/cm warstwy dolnej. Wynika to z faktu, że AgNPs zmniejszają rezystywność nanorurek – CNT połączone za pomocą nanocząsteczek srebra zapewniały więcej dróg transportu dla nośników ładunków. Zastosowanie asymetrycznych elektrod jest istotne w konfiguracji urządzenia, ponieważ w momencie kontaktu jedna z nich jest rozciągana, a przeciwna ściskana. Symetryczne rozłożenie nanocząsteczek srebra uniemożliwiłoby wykrycie odkształcenia. Górna elektroda jest znacznie bardziej rezystywna od przeciwległej, a tylko zmiana oporności tej elektrody wpływa na sygnał wyjściowy czujnika. Innymi słowy, zmiana oporności zachodząca wraz ze zmianą wymiarów pozwala wyznaczyć naprężenia. Czułość e-wąsów sprawdzona została z powodzeniem podczas testów mapowania 2D i 3D przepływu gazów.
Zaprezentowane przez naukowców bardzo wrażliwe, elektroniczne wąsy CNT-AgNP na włóknach z PDMS osiągnęły najwyższą czułość wśród zgłoszonych do tej pory sensorów dotykowych. Zdaniem autorów, łatwość produkcji, niska waga i doskonała wydajność zapewniają szeroki zakres aplikacji, od zaawansowanych projektów w robotyce po biologiczne interfejsy (np. czujniki do pomiaru częstotliwości akcji serca). Warto dodać, że monitorowanie za pomocą elastycznych włókien odbywa się w czasie rzeczywistym.
Źródło:
[1] K. Takei, Z. Yu, M. Zheng, H. Ota, T. Takahashi, A. Javey. Highly sensitive electronic whiskers based on patterned carbon nanotube and silver nanoparticle composite films. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014; DOI: 10.1073/pnas.1317920111
[2] http://www.pnas.org/content/early/2014/01/15/1317920111.abstract [24.01.2014]
[3] http://nano.eecs.berkeley.edu/publications/PNAS_2014_E-whiskers.pdf [24.01.2014]
[4] http://newscenter.lbl.gov/science-shorts/2014/01/20/e-whiskers/ [24.01.2014]
[5] Man Cat Whiskers by Derek Bridges, flickr.com, CC BY 2.0