電子皮膚は、初めてさまざまな方向からのタッチを予測して認識します

ケムニッツとドレスデンの研究チームは、人工毛髪を統合した高感度の電子皮膚（e-skin）の開発に大きな一歩を踏み出しました。 Eスキンは、人間の自然な皮膚の感度を模倣しようとする柔軟な電子システムです。アプリケーションは、体の皮膚の交換や医療用センサーから、ヒューマノイドロボットやアンドロイド用の人工皮膚まで多岐にわたります。

小さな表面の毛は、人間の皮膚のわずかな触覚を認識して予測し、接触の方向を認識することさえできます。最新の電子皮膚システムにはこの機能がなく、その周辺に関するこの重要な情報を収集できません。

研究チームは、e-skinシステム（アクティブマトリックス）に統合できる非常に感度が高く、方向に依存する3D磁場センサーを開発するための新しい方法を模索しました。チームは、3Dデバイスアレイの小型化と統合にまったく新しいアプローチを使用し、人間の肌の自然なタッチを模倣することに向けて大きな一歩を踏み出しました。研究者たちは、ジャーナルNatureCommunicationsで結果を報告しています。

この研究の最初の著者であるクリスチャン・ベッカーは、次のように述べています。このようなセンサーシステムは、確立されたマイクロエレクトロニクス製造方法では生成が非常に困難です。」

研究チームによって提示されたセンサーシステムのコアは、異方性磁気抵抗（AMR）センサーです。 AMRセンサーは、磁場の変化を正確に判断するために使用できます。これらは現在、たとえば、自動車の速度センサーとして、またはさまざまな機械の可動部品の位置と角度を決定するために使用されています。

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非常にコンパクトなセンサーシステムを開発するために、研究者たちはいわゆる「マイクロ折り紙プロセス」を利用しました。このプロセスは、AMRセンサーコンポーネントを3次元アーキテクチャに折りたたむために使用され、3次元で磁気ベクトル場を解決できます。

マイクロ折り紙を使用すると、多数のマイクロエレクトロニクスコンポーネントを小さなスペースに収めて、従来の微細加工技術では実現できない形状に配置することができます。 「マイクロ折り紙プロセスは20年以上前に開発されました。このエレガントなテクノロジーの可能性を最大限に活用して、新しいマイクロエレクトロニクスアプリケーションを実現できるのは素晴らしいことです」とオリバーGシュミット教授は述べています。

研究チームは、3Dマイクロ折り紙磁気センサーアレイを単一のアクティブマトリックスに統合しました。このマトリックスでは、個々のセンサーをマイクロエレクトロニクス回路で簡単にアドレス指定して読み取ることができます。 「アクティブマトリックス磁気センサーと自己組織化マイクロ折り紙アーキテクチャの組み合わせは、高解像度3Dセンシングシステムを小型化および統合するためのまったく新しいアプローチです」と、コンセプト、設計、およびプロジェクトの実施。

研究チームは、磁気的に根付いた細い毛を備えた3D磁場センサーを人工のeスキンに統合することに成功しました。 e-skinは、電子機器とセンサーが埋​​め込まれたエラストマー素材でできています。これは、神経と織り交ぜられた有機皮膚に似ています。

髪の毛に触れて曲がると、下にある3D磁気センサーによって磁気根の動きと正確な位置を検出できます。したがって、センサーマトリックスは、髪の毛のむき出しの動きを記録するだけでなく、動きの正確な方向を決定することもできます。実際の人間の皮膚と同様に、eスキンの各髪は、近くの変化を認識して検出できる完全なセンサーユニットになります。

リアルタイムでの3D磁気センサーと磁気毛根の間の磁気機械的結合は、新しいタイプのタッチセンシティブな知覚を提供します。この機能は、人間とロボットが緊密に連携する場合に非常に重要です。たとえば、ロボットは、意図した接触や意図しない衝突が発生する直前に、人間の仲間との相互作用を多くの詳細で事前に感知できます。