پژوهشگران پچی پوشیدنی ساخته‌اند که گازهای خطرناک و فلزات سنگین آب را تشخیص می‌دهد و با الگوهای لرزشی به کاربر هشدار می‌دهد.
- هشدار فوری: پچ پس از شناسایی خطر با لرزش مستقیم روی پوست به کاربر هشدار می‌دهد.
- کارکرد حدود ۲۴ ساعته: سلول‌های فتوولتائیک لایه‌نازک در کنار مصرف پایین انرژی حسگرها به افزایش عمر باتری کمک می‌کنند.
- کاربرد رباتیک: فناوری e-skin به ربات‌های چهارپا اجازه داده است خطرات را شناسایی کنند و برای دوری از آن‌ها مسیر خود را تغییر دهند.
پژوهشگران دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی یک پچ پوشیدنی تشخیص خطر ساخته‌اند که می‌تواند خطرات محیطی مانند گازهای خطرناک و فلزات سنگین موجود در آب را شناسایی کند و بلافاصله از طریق لرزش به فرد هشدار دهد. این فناوری همچنین در قالب یک «پوست الکترونیکی» یا e-skin توسعه یافته است تا ربات‌ها بتوانند خطرات محیطی را شناسایی کرده و به‌صورت مستقل از آن‌ها دوری کنند.
هشدار سریع‌تر وقتی هر ثانیه اهمیت دارد
این پروژه به رهبری Erim Uzunoğlu، دانشجوی دکتری در North Carolina State University (NC State) انجام شده است.
سنسورهای موجود از قبل می‌توانند خطرات محیطی را شناسایی کنند و اطلاعات را به یک تلفن هوشمند ارسال کنند. با این حال، تیم پژوهشی تلاش کرد این فرآیند را سریع‌تر و مستقیم‌تر کند.
پژوهشگران دو هدف اصلی داشتند. هدف نخست کوچک‌سازی حسگرها و ادغام آن‌ها در یک پچ پوشیدنی بود که بتواند خطرات احتمالی را شناسایی کند.
Uzunoğlu گفت: «اگر با یک ماده خطرناک در تماس هستید، باید در سریع‌ترین زمان ممکن از آن مطلع شوید.»
از آنجا که ممکن است فرد بلافاصله اعلان تلفن همراه خود را بررسی نکند، پژوهشگران فناوری لمسی را درون پچ قرار دادند. این فناوری بلافاصله پس از تشخیص خطر باعث لرزش پچ می‌شود و به فرد اجازه می‌دهد سریع‌تر واکنش نشان دهد.
فناوری پیشرفته در یک پچ کوچک
تیم پژوهشی پچی مربعی ساخته است که کمی از یک کارت گواهینامه رانندگی کوچک‌تر است. با وجود اندازه کم، این پچ مجموعه‌ای از فناوری‌های مختلف را در خود جای داده است.
اجزای اصلی پچ عبارت‌اند از:
- یک میکروکنترلر: به‌عنوان مغز دستگاه عمل می‌کند.
- یک باتری کوچک: انرژی مورد نیاز دستگاه را تأمین می‌کند.
- حسگرها: می‌توانند شش نوع خطر محیطی متفاوت را پایش کنند.
- یک عملگر کوچک: به‌عنوان موتور لمسی عمل می‌کند و هنگام شناسایی خطر روی پوست می‌لرزد.
- سلول‌های فتوولتائیک لایه‌نازک: روی سطح بیرونی قرار گرفته‌اند و امکان برداشت مداوم انرژی خورشیدی را فراهم می‌کنند.
سلول‌های خورشیدی به دستگاه اجازه می‌دهند هنگام استفاده انرژی محیط را جذب کند. این قابلیت به افزایش مدت زمان استفاده از باتری محدود پچ کمک می‌کند.
طراحی لرزشی که کاربر نمی‌تواند به‌راحتی آن را نادیده بگیرد
قرار دادن یک موتور لرزان در پچ به‌تنهایی کافی نبود. پژوهشگران باید کاری می‌کردند که لرزش روی پوست به شکلی محسوس و قابل تشخیص احساس شود.
Oluwatobi Ojuade، یکی از نویسندگان این پژوهش و دانشجوی دکتری در NC State، گفت: «فقط داشتن یک موتور لرزان کافی نیست؛ شما باید واقعاً آن را احساس کنید.»
او توضیح داد که پژوهشگران سطوح کوچک و بافت‌داری طراحی کردند که در محل اتصال موتور و پوست قرار می‌گیرند. این سطوح مانند الگویی بسیار کوچک از برجستگی‌ها عمل می‌کنند.
با تغییر اندازه و فاصله این برجستگی‌ها، پژوهشگران توانستند نحوه درک لرزش توسط پوست را کنترل کنند. به این ترتیب، احساس ایجادشده به‌گونه‌ای تنظیم شد که توجه کاربر را جلب کند و مانند یک لرزش ضعیف که ممکن است نادیده گرفته شود نباشد.
این دستگاه یک مرحله دیگر نیز پیش می‌رود. پچ برای هر خطر شناسایی‌شده، یک الگوی لرزشی یا haptic sequence متفاوت ایجاد می‌کند.
بنابراین کاربر فقط متوجه نمی‌شود که مشکلی وجود دارد. او می‌تواند بر اساس نوع لرزشی که روی پوست احساس می‌کند، تشخیص دهد با کدام خطر محیطی مواجه است.
انرژی خورشیدی عمر باتری را افزایش می‌دهد
آزمایش‌های اولیه نتایج امیدوارکننده‌ای برای این ایده نشان دادند.
Uzunoğlu گفت: «در آزمایش‌های اثبات مفهوم، دریافتیم که دستگاه عملکرد خوبی در شناسایی مواد خطرناک و فعال‌کردن فوری پاسخ لمسی داشت.»
او افزود: «همچنین دریافتیم که فناوری برداشت انرژی توانست عمر باتری را به‌خوبی افزایش دهد. همراه با نیاز کم حسگرها به انرژی، این ویژگی به دستگاه اجازه می‌دهد حدود ۲۴ ساعت کار کند.»
فعالیت برای یک روز کامل، نقطه عطف مهمی برای دستگاهی با چنین ابعاد کوچکی محسوب می‌شود. این قابلیت به پچ اجازه می‌دهد به یک ابزار پوشیدنی واقعی برای استفاده تمام‌روزه تبدیل شود و به شارژ مکرر یا تعویض مداوم نیاز نداشته باشد.
از پوست انسان تا پوست الکترونیکی ربات‌ها
پژوهشگران هنگام توسعه پچ پوشیدنی این پرسش را مطرح کردند که آیا همین مفهوم می‌تواند به جای انسان برای ربات‌ها نیز کاربرد داشته باشد یا خیر.
چنین قابلیتی می‌تواند به ماشین‌ها اجازه دهد خطرات محیطی را به‌صورت مستقل شناسایی کنند و به آن‌ها واکنش نشان دهند.
این ایده به توسعه فناوری‌ای منجر شد که تیم پژوهشی آن را e-skin یا پوست الکترونیکی می‌نامد.
e-skin چگونه کار می‌کند؟
پوست الکترونیکی با قرار دادن پچ حسگر روی یک لایه از ماده پیزوالکتریک ساخته می‌شود. هنگامی که یک حسگر خطر را تشخیص می‌دهد، پاسخ لمسی فعال می‌شود.
لرزش ایجادشده در برابر لایه پیزوالکتریک باعث تولید یک سیگنال الکتریکی می‌شود. ربات می‌تواند این سیگنال را شناسایی و تفسیر کند.
در آزمایش‌های اثبات مفهوم، پوست الکترونیکی به ربات‌های چهارپا اجازه داد خطرات را تشخیص دهند و مسیر حرکت خود را برای دوری از آن‌ها تغییر دهند.
این نتیجه نشان می‌دهد چارچوب حسگری که برای ایمنی انسان طراحی شده است، می‌تواند به‌صورت طبیعی برای جلوگیری خودکار از خطر در سامانه‌های رباتیک نیز گسترش پیدا کند.
استفاده از قطعات آماده بازار
پژوهشگران برای ساخت پچ و پوست الکترونیکی تا حد زیادی از قطعات آماده بازار استفاده کردند و وابستگی کمی به قطعات مهندسی‌شده اختصاصی داشتند.
Amay Bandodkar، نویسنده همکار مسئول این پژوهش و استادیار مهندسی برق و کامپیوتر در NC State، گفت: «پچ و پوست الکترونیکی تا حد زیادی با استفاده از قطعات آماده بازار ساخته شده‌اند و تنها تعداد بسیار کمی از عناصر آن‌ها به‌صورت اختصاصی مهندسی شده‌اند.»
او افزود که این موضوع می‌تواند توسعه و مقیاس‌پذیری فناوری را در آینده آسان‌تر کند.
Bandodkar همچنین تأکید کرد که این مفهوم انعطاف‌پذیری بسیار زیادی دارد. آرایه حسگرها ماژولار است و می‌توان حسگرهایی را که برای پایش خطرات مختلف مورد نیاز هستند، به آن اضافه یا از آن حذف کرد.
کاربردهای احتمالی پچ پوشیدنی
همین طراحی پایه پچ می‌تواند از نظر تئوری برای کاربردهای مختلفی سازگار شود. با تغییر نوع خطراتی که پچ شناسایی می‌کند، می‌توان از آن برای حوزه‌های زیر استفاده کرد:
- ایمنی محیط کار
- پایش محیط‌زیست
- واکنش به حوادث و بلایا
دستاوردی که سال‌ها برای آن تلاش شده است
برای Lilian Hsiao، نویسنده همکار مسئول پژوهش و دانشیار مهندسی شیمی و زیست‌مولکولی در NC State، این دستاورد نتیجه سال‌ها تلاش برای حل یک چالش فنی بوده است.
او گفت: «دیدن اینکه می‌توانیم سیگنال‌های لمسی را در موادی با ویژگی‌های متفاوت رمزگذاری کنیم، واقعاً شگفت‌انگیز است. انجام این کار در گذشته بسیار چالش‌برانگیز بود، به‌ویژه در شرایط واقعی که افراد می‌خواهند از دستگاه استفاده کنند.»
Hsiao افزود: «ترکیب چیزی که مردم بتوانند بپوشند با قابلیت‌های پیشرفته حسگری و توانایی هشدار دادن به کاربر، چیزی است که مدت زیادی برای دستیابی به آن تلاش کرده‌ایم.»
پژوهش پچ تشخیص خطر کجا منتشر شده است؟
این مطالعه در مجله Device منتشر شده است. پژوهش حاضر نشان می‌دهد یک سامانه کوچک پوشیدنی می‌تواند تشخیص خطر محیطی و هشدار لمسی فوری را در یک ابزار واحد ترکیب کند و همین چارچوب می‌تواند در فناوری رباتیک نیز به کار گرفته شود.
سؤالات متداول
پچ پوشیدنی تشخیص خطر چه چیزی را شناسایی می‌کند؟
این پچ می‌تواند شش نوع خطر محیطی را پایش کند که در میان آن‌ها گازهای خطرناک و فلزات سنگین موجود در آب قرار دارند.
پچ چگونه به کاربر هشدار می‌دهد؟
پس از شناسایی خطر، یک عملگر کوچک روی پوست می‌لرزد. برای خطرهای مختلف نیز الگوهای لرزشی متفاوتی در نظر گرفته شده است.
آیا این پچ می‌تواند بدون شارژ مداوم کار کند؟
پچ به باتری کوچک و سلول‌های فتوولتائیک لایه‌نازک مجهز است. آزمایش‌ها نشان دادند دستگاه می‌تواند حدود ۲۴ ساعت کار کند.
e-skin چیست؟
e-skin یا پوست الکترونیکی نسخه‌ای از همین فناوری برای ربات‌هاست که می‌تواند به آن‌ها در شناسایی خطر و تغییر مسیر برای دوری از آن کمک کند.
این فناوری چه کاربردهایی می‌تواند داشته باشد؟
بر اساس پژوهش انجام‌شده، تغییر آرایه حسگرها می‌تواند پچ را برای کاربردهایی مانند ایمنی محیط کار، پایش محیط‌زیست و واکنش به بلایا سازگار کند.
جمع‌بندی
پچ پوشیدنی تشخیص خطر یک سامانه کوچک برای شناسایی خطرات محیطی و ارائه هشدار لمسی فوری است. این فناوری علاوه بر کاربردهای پوشیدنی، در قالب e-skin برای کمک به ربات‌ها در تشخیص خطر و اجتناب از آن نیز آزمایش شده است.
اگر به فناوری‌های پوشیدنی، رباتیک و حسگرهای هوشمند علاقه دارید، این فناوری را دنبال کنید تا ببینیم مسیر توسعه آن به کجا خواهد رسید.
