Delfiinimäistä kaikuluotausta venyvällä materiaalilla

Sungkyunkwanin yliopiston (SKKU) professori Nae-Eung Leen johtama tutkimusryhmä on kehittänyt uuden materiaalin, joka voi venyä kuin kumi ja samalla tuottaa sähköä.

Materiaalin avulla tiimi loi onnistuneesti "keinotekoisen ultraäänisensorisen synapsin", joka jäljittelee tapaa, jolla delfiinit havaitsevat vedenalaista ultraääntä ja käyttävät sitä ympäristönsä havaitsemiseen.

Delfiinit navigoivat jopa pimeissä ja sameissa vesissä lähettämällä ultraääniaaltoja ja havaitsemalla ympäröivistä esineistä heijastuneita kaikuja, minkä ansiosta ne voivat tunnistaa vedenalaisen maaston tarkasti ja paikantaa saaliin. Tätä kykyä kutsutaan kaikulokaatioksi.

Robotti-ihon ja puettavan elektroniikan viimeaikaisten edistysaskeleiden myötä ultraäänisignaalien havaitsemiseen ja niiden hermoston kaltaiseen käsittelyyn kykenevät teknologiat ovat herättäneet kasvavaa huomiota.

Perinteiset epäorgaaniset materiaalit ovat kuitenkin alttiita murtumiselle, kun taas joustavat polymeerimateriaalit eivät usein palauta alkuperäistä muotoaan venytyksen jälkeen tai niiden pietsosähköinen suorituskyky – kyky tuottaa sähköä mekaanisen voiman vaikutuksesta – heikkenee merkittävästi. Nämä rajoitukset ovat vaikeuttaneet venyvien ultraäänianturien kehittämistä.

Näiden haasteiden ratkaisemiseksi tutkimusryhmä käytti ristisilloitusmenetelmää, jossa joustava polymeeri, P(VDF-TrFE), sidottiin kevyesti pehmeäketjuisiin PEG-diamiinimolekyyleihin. Tutkijat lisäsivät sitten nanomittakaavan bariumtitanaattihiukkasia (BaTiO₃), joilla on vahvat pietsosähköiset ominaisuudet, luodakseen uuden nanokomposiitin. Indusoimalla voimakkaita kemiallisia vuorovaikutuksia, erityisesti vetysidoksia, polymeerin ja nanohiukkasten välille, tiimi lisäsi merkittävästi sähköisestä suorituskyvystä vastaavien kiteisten rakenteiden muodostumista säilyttäen samalla materiaalin luontaisen venyvyyden.

Uusi nanokomposiitti säilytti vakaan pietsosähköisen suorituskyvyn, vaikka sitä venytettiin 50 % alkuperäisestä pituudestaan. Se osoitti myös erinomaista kestävyyttä, eikä sen suorituskyky heikkene merkittävästi yli 1 000 mekaanisen puristus- ja venytyssyklin jälkeen.

Tutkimusryhmä integroi venyvän ultraäänianturin edelleen joustavaan keinotekoiseen neuronimaiseen piiriin, joka tunnetaan nimellä synaptinen transistori. Kun ultraääni etenee veden läpi, anturi havaitsee ultraääniaallot ja muuntaa ne sähköisiksi signaaleiksi. Nämä signaalit lähetetään sitten keinotekoiseen synaptiseen piirirakenteeseen, joka tallentaa ultraäänisyötteestä saatua informaatiota samalla tavalla kuin biologiset neurosolut.

Professori Nae-Eung Lee sanoi: "Tämä tutkimus on merkittävä siinä mielessä, että ylitimme perinteisten hauraiden pietsosähköisten materiaalien rajoitukset ja kehitimme uuden materiaalin, joka yhdistää elastisuuden ja korkean suorituskyvyn.

Odotamme tämän teknologian olevan avainasemassa veden alla toimivien pehmeiden merentutkimusrobottien sekä ihmisen ihoa luonnollisesti mukautuvien puettavien lääkinnällisten laitteiden kehittämisessä terveyden seurantaa varten."

Aiheesta aiemmin:

Kipua ja vammoja aistiva neuromorfinen robotti-iho

Luoda ultraäänellä valoa kehon sisällä

Aivomainen transistori jäljittelee ihmisen älykkyyttä