Осьминоги обучили физиков

Большинство головоногих моллюсков, в том числе осьминоги, имеют управляемые пигментные клетки-хроматофоры, позволяющие им менять окраску и мимикрировать под цвет окружающего фона. Группа ученых из Корнелльского университета в США под руководством Криса Ларсона решила позаимствовать у природы эту идею и создала искусственный материал с похожими свойствами.

Этот материал представляет собой многофункциональную искусственную кожу, которая эластична и может реагировать на прикосновения, излучая свет.

Исследование опубликовано в журнале Science.

Создание такой кожи стало возможным благодаря разработке эластичного светоизлучающего конденсатора (HLEC — Hyperelastic Light-Emitting Capacitor). HLEC представляет собой структуру наподобие сэндвича, состоящего из пяти слоев. В центре между двумя слоями проводящих гибких гелевых электродов расположен композитный материал на основе кремниевой матрицы. Эта структура с двух сторон закрывается слоями силикона — полимерного материала, похожего на строительные герметики.

Для того чтобы устройство излучало свет, ученые добавили в кремниевую матрицу сульфид цинка, который является люминофором — светится при прохождении тока через него. Материал также может быть легирован атомами переходных металлов, которые излучают свет на различных длинах волн. Например, синее свечение может быть получено с помощью легирования атомами меди, а желтое — атомами магния.

Такое устройство оказалось намного более гибким, чем существующие светоизлучатели на основе органических полупроводников. Испытания гибкости материала показывают, что

площадь его поверхности может растягиваться примерно на 500%, прежде чем внешние провода теряют контакт с гелевыми электродами.

Поскольку конденсаторы расположены в виде набора пластинок, то материал можно использовать как датчик деформации давления и растяжения. При приложении внешней нагрузки меняются расстояние между электродами отдельного конденсатора и взаимное расположение конденсаторов в материале. Это приводит к изменению емкости всего образца. Авторы работы изучили количественные характеристики этого эффекта при растяжении материала. Деформация также приводит к изменению светоизлучающих свойств.

Для того чтобы продемонстрировать возможность применения нового материала в системах гибкой электроники, исследователи создали трехкамерного робота с кожей из нового материала. Этот робот представляет собой «гусеницу» с тремя сегментами — камерами, которые могут надуваться. Если камеры расширяются линейно, то робот движется вперед, подобно настоящей гусенице.

Такая «кожа» позволяет роботу чувствовать окружающую среду и одновременно является индикатором состояния самой системы. Следить за состоянием системы, можно и контролируя электрические емкости элементов HLEC, которые являются конденсаторами.

Простое нажатие пальцем меняет емкость на 25%, а при полной накачке трех камер емкость изменяется на 1000%. Вместе с изменением емкости меняется интенсивность свечения.

Недостатком предложенной системы является слабая яркость излучения элементов HLEC по сравнению с существующими коммерческими аналогами. Чтобы увеличить яркость света, авторы предлагают использовать фотополимеры, а также оптимизировать размер легирующих частиц и толщину слоев.

Созданный учеными материал превосходит по своим параметрам предыдущие подобные разработки. Он может использоваться для создания портативных роботов, контролирующих состояние окружающей среды с помощью изменения формы, цвета и яркости. Еще одно применение такой искусственной кожи — создание активных маскировочных систем с обратной связью, наподобие тех, которые используют моллюски.