Die schattige kleine snorharen die je op je huisdier ziet, doen meer dan alleen schattig trillen. De lange, uitstekende haren zijn eigenlijk aanraakreceptoren, vitale informatie over de omgeving naar de hersenen sturen en de dieren helpen hun omgeving te begrijpen.

Geïntrigeerd door de veelzijdigheid van de haren, Onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas gebruikten vormgeheugenpolymeren om kunstmatige, elektronische versies genaamd e-whiskers, die de eigenschappen van het echte werk nabootsen. Ze beschrijven hun werk in een artikel dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Geavanceerde materialen .

De haarachtige structuren zijn een belangrijke vooruitgang in de richting van het ontwerpen van elektronische menselijke huid, volgens de onderzoekers die ze verzamelden.

Afdichtingssensoren

"Er zijn enkele echt interessante voorbeelden in het dierenrijk van hoe snorharen nuttig zijn voor het onderzoeken en ondervragen van de omgeving, " zei Jonathan Reeder BS'12, Ph.D.'16, hoofdauteur van de studie die het onderzoek uitvoerde als promovendus aan de Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science.

Zeehonden zijn een goed voorbeeld, hij zei.

"Zeehonden gebruiken lange snorharen voor zeer complexe waarneming. Als ze in het water zwemmen, hun snorharen voelen de stroming van water terwijl ze gaan, " zei Reeder, die nu een postdoctoraal onderzoeker is aan de Northwestern University. "Er zijn tests gedaan waarbij een geblinddoekte zeehond een in het zwembad zwemmende vis zal vinden en de vis daadwerkelijk kan volgen op basis van turbulentie. De vis verstoort het water, het water verstoort de snorharen van de zeehond, en dat geeft het informatie over waar de vis is. Het is de 3D-structuur van de snorharen die deze geavanceerde functionaliteiten mogelijk maakt."

Reeder ging aan het werk om zijn eigen versie van een snorhaar te maken, samen met zijn doctoraal mentor, Dr. Walter Voit BS'05, MS'06. nee, een universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek en werktuigbouwkunde, is auteur van de krant.

De contouren van de e-snorharen zijn uitgesneden uit een vlakke plaat van polymeer met vormgeheugen, die stijf is bij kamertemperatuur maar flexibel wordt bij verwarming. Op elke snorhaar werd een flexibele reksensor aangebracht, die ongeveer dezelfde diameter had als een mensenhaar en aan het vel bleef zitten.

Toen onderzoekers hete lucht door de onderkant van de uitsparingen bliezen, het materiaal werd zacht en buigzaam, waardoor de kleine vingers - of e-snorharen - kunnen stijgen en driedimensionaal worden. Nadat de e-whiskers waren gemonteerd, verstoringen veroorzaakten veranderingen in de weerstand van de spanningssensor die het mogelijk maakten om elke e-whiskerpositie nauwkeurig te volgen.

"We hebben een aantal van de hoogste dichtheid van e-snorharen tot nu toe gecreëerd, "Zei Voit. "Als je veel van dit soort sensoren hebt die over een oppervlak kunnen worden gesleept, je kunt ze vervolgens gebruiken om veel interessante eigenschappen te meten. Onze e-whiskers konden kracht detecteren, druk, nabijheid, temperatuur, stijfheid en topografie. Terwijl ze tegen verschillende materialen aan strijken of ze overslaan, ze bootsen de waarnemingscapaciteiten van de menselijke huid na."

Huidfuncties repliceren

De onderzoekers zeiden dat robotica en protheses twee van de grootste toepassingen voor de e-whiskers zouden kunnen zijn.

“Veel robots halen al tactiele informatie uit hun fysieke omgeving. traditionele sensoren missen de complexiteit en rijkdom van menselijke aanraking. Met e-whiskers, we kunnen het aantal soorten informatie vergroten dat kan worden verkregen wanneer een sensor over een oppervlak strijkt, " zei Reeder. "In robotica, e-snorharen kunnen de functionaliteiten van de menselijke huid nabootsen door te bepalen wat hard en zacht is, warm en koud, glad en ruw. Ze kunnen de robot in staat stellen objecten te identificeren en er veilig mee te communiceren, de robots 'mensvriendelijker' maken."

Het integreren van e-whiskers met een prothese kan moeilijker zijn.

"Het rechtstreeks integreren van elektronische sensoren met biologie is de meest overtuigende toepassing, maar brengt een aantal moeilijke uitdagingen met zich mee, " zei Reeder. " Namelijk, hoe de door de sensor gegenereerde elektronische signalen te vertalen naar de 'taal' van het zenuwstelsel, en hoe je een stabiele mechanische en elektrische koppeling vormt tussen de flexibele elektronica en het zachte weefsel."

uiteindelijk, de wetenschappers willen niet alleen de menselijke functie nabootsen met protheses, maar verbeter het.

"De gevoeligheid van de e-snorharen voor veranderingen in oppervlaktetopologie en temperatuur, evenals de reactietijd van de sensoren, allemaal de mogelijkheden van de menselijke huid met minstens een orde van grootte overschrijden, "Zei Reeder. "Het is niet onmogelijk voor een persoon met een prothese om daadwerkelijk een betere gevoeligheid te hebben dan met de menselijke hand."

Andere UT Dallas-onderzoekers die bij het werk betrokken waren, waren afgestudeerde student werktuigbouwkunde Tong Kang en studente bio-ingenieur Sarah Rains.