Гибкие сенсоры для протезов нового поколения создали в России | Новости науки
Российские ученые разработали гибкий многофункциональный сенсор на основе биосовместимых материалов. Устройство способно независимо и с высокой точностью отслеживать два ключевых параметра — давление и температуру, что открывает новые возможности для создания продвинутых протезов, носимой электроники и систем медицинского мониторинга, сообщили в пресс-службе Алферовского университета.
Гибкие сенсоры — это электронные устройства, сохраняющие функциональность при деформации. Они способны измерять различные физические показатели: давление, температуру, влажность и другие. Такие технологии уже применяются в носимой электронике, робототехнике и медицине. Особый интерес представляет разработка биосовместимых сенсоров для создания «электронной кожи» — тонкого гибкого материала, имитирующего тактильные и сенсорные функции человеческой кожи.
До сих пор большинство гибких сенсоров могли измерять только один параметр — либо давление, либо температуру. Создание мультифункциональных решений сталкивалось с проблемами: сложностью производства и низкой чувствительностью. В новом исследовании учёные предложили экологичный и простой метод синтеза, позволяющий создавать гибкие многофункциональные сенсоры площадью до 40 квадратных сантиметров.
Коллектив ученых из Алферовского университета, МФТИ, Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, Сколтеха и СПбГУ разработал прототипы сенсоров, ключевым элементом которых являются вертикальные нитевидные нанокристаллы оксида цинка (ZnO), выращенные на кремниевой подложке. Эти кристаллы обладают не только полупроводниковыми, но и пьезоэлектрическими свойствами.
Технологический процесс включает несколько этапов:
- Рост нитевидных нанокристаллов ZnO на кремниевой подложке из раствора.
- Инкапсуляция массива нанокристаллов в защитный полимерный слой.
- Отделение полученной гибкой структуры от кремниевой подложки.
- Нанесение контактов из углеродных нанотрубок и алюминия.
Исследование опубликовано в авторитетном журнале Materials Science in Semiconductor Processing.
Особенность разработки — комбинация полностью биосовместимых материалов, что делает ее идеальной для интеграции в живые системы. Главное технологическое преимущество — способность сенсора независимо измерять давление и температуру:
- При увеличении давления электрическое сопротивление падает, а емкость растет.
- При увеличении температуры (в диапазоне 25–100 °C) уменьшаются оба параметра.
Эта четкая разница в отклике позволяет устройству одновременно и без взаимных помех детектировать два различных физических сигнала.
«Мы разработали оригинальные подходы к анализу сенсорных сигналов, чтобы независимо получать отклик на изменение параметров, имеющих разную физическую природу. В частности, мы показали возможность независимого измерения температуры и давления при помощи одного сенсора. Метод синтеза такого сенсора относительно технологичен и масштабируем, а сенсорные характеристики опережают аналоги», — пояснил один из авторов работы, старший научный сотрудник лаборатории оптики гетерогенных структур и оптических материалов СПбАУ Валерий Кондратьев.
При реализации проекта ученым пришлось преодолеть ряд нетривиальных научно-технических вызовов.
«Ключевым вызовом было добиться стабильного и воспроизводимого отклика от массива нанопроводов при одновременном действии давления и температуры. Однако мы решили эту проблему за счет подбора геометрии структуры, режимов роста нанопроводов и последующей калибровки двух типов отклика — резистивного и емкостного», — отметил один из участников исследования, сотрудник лаборатории возобновляемых источников энергии СПбАУ, Федор Кочетков.
Новые сенсоры демонстрируют выдающиеся параметры:
- Диапазон измерения давления: до 2 МПа с чувствительностью до 4 % кПа (в 2–4 раза выше, чем у аналогов).
- Нижний порог обнаружения: 10 Па (в 10 раз ниже, чем у традиционных пьезорезистивных датчиков).
Такой широкий диапазон позволяет устройству охватить весь спектр биологических нагрузок: от легкого касания, дыхания или пульса (10 Па) до артериального давления (13–17 кПа) и давление стопы при ходьбе.
Основные области применения:
- «Электронная кожа» для адаптивных биопротезов, обеспечивающая обратную тактильную связь.
- Имплантируемые медицинские сенсоры для непрерывного мониторинга жизненных показателей.
- Носимая диагностическая электроника нового поколения.
- Чувствительные элементы для робототехники, требующие точного тактильного восприятия.
Работа представляет собой существенный шаг в развитии гибкой и биосовместимой электроники. Простота и масштабируемость предложенного метода синтеза создают предпосылки для быстрого перехода от лабораторных прототипов к коммерческому использованию технологии.