Elektronikus bőr iránytűk a geomágneses mezővezérelt mesterséges mágneses fogadáshoz és az interaktív elektronikához

Tárgyak

Absztrakt

A mágneses fogadás a mágneses mezők észlelésének és reagálásának képessége, amely lehetővé teszi bizonyos szervezetek számára, hogy navigációs célokból tájékozódjanak a Föld mágneses mezőjéhez képest. A mesterséges magnetorecepció kifejlesztése, amely kizárólag a geomágneses mezőkkel való kölcsönhatáson alapul és felhasználható az emberek számára, kihívást jelentett. Itt egy kompatibilis és mechanikailag robusztus elektronikus bőr-iránytű rendszerről számolunk be, amely lehetővé teszi az ember számára, hogy tájékozódjon a Föld mágneses mezője szempontjából. Az iránytű 6 μm vastag polimer fóliákon készül, és az anizotróp magnetorezisztencia-hatás alapján mágneses tér-érzékelőket tartalmaz. Az érzékelő válasza lineárisra van szabva, és az érzékelőket Wheatstone-hídkonfigurációba rendezve maximális érzékenységet érnek el a Föld mágneses tere körül. Megközelítésünk felhasználható interaktív eszközök létrehozására virtuális és kiterjesztett valóságos alkalmazásokhoz is, és ennek lehetőségét szemléltetjük azáltal, hogy az elektronikus bőr iránytűnk segítségével virtuális egységek érintés nélküli vezérlését használjuk egy játékmotorban.

Hozzáférési lehetőségek

Feliratkozás a Naplóra

Teljes napló hozzáférést kap 1 évre

csak 7,71 euró kibocsátásonként

Az árak nettó árak.
Az áfát később hozzáadják a pénztárhoz.

Cikk bérlése vagy vásárlása

Időben korlátozott vagy teljes cikk-hozzáférést kaphat a ReadCube-on.

Az árak nettó árak.

Az adatok elérhetősége

Az ebben a cikkben szereplő ábrákat alátámasztó adatok és a tanulmány egyéb megállapításai ésszerű kérésre rendelkezésre állnak az érintett szerzőtől.

Hivatkozások

Someya, T. és mtsai. Nagy felületű, rugalmas nyomásérzékelő mátrix szerves terepi tranzisztorokkal a mesterséges bőr alkalmazásához. Proc. Natl Acad. Sci. USA 101, 9966–9970 (2004).

Kim, D.-H. et al. Epidermális elektronika. Tudomány 333, 838–843 (2011).

Bauer, S. és mtsai. 25. évfordulós cikk: Puha jövő: A robotoktól és az érzékelők bőrétől az energiaszedőkig. Adv. Mater. 26., 149–162 (2014).

Lee, S. és mtsai. Átlátszó hajlítás-érzéketlen nyomásérzékelő. Nat. Nanotech. 11., 472–478 (2016).

Ren, X. és mtsai. Alacsony működési teljesítményű és rugalmas aktív mátrixú szerves-tranzisztoros hőmérséklet-érzékelő tömb. Adv. Mater. 28., 4832–4838 (2016).

Hines, L., Petersen, K., Lum, G. Z. és Sitti, M. puha működtetők kis léptékű robotikához. Adv. Mater. 29., 1603483 (2017).

Carpi, F. és mtsai. A dielektromos elasztomer átalakítók szabványai. Intelligens Mater. Szerkezet. 24., 105025 (2015).

Gisby, T. A., O’Brien, B. M. és Anderson, I. A. önérzékelő visszacsatolás a dielektromos elasztomer működtetőkhöz. Appl. Phys. Lett. 102, 193703 (2013).

Anderson, I. A., Gisby, T. A., McKay, T. G., O’Brien, B. M. & Calius, E. P. Többfunkciós dielektromos elasztomer mesterséges izmok puha és intelligens gépekhez. J. Appl. Phys. 112, 041101 (2012).

Miriyev, A., Stack, K. & Lipson, H. Puha anyag puha működtetőkhöz. Nat. Commun. 8., 596 (2017).

Choi, M. K. és mtsai. Rendkívül élénk, nagyon átlátszó és ultravékony kvantumpont fénykibocsátó diódák. Adv. Mater. 30, 1703279 (2018).

Someya, T., Bauer, S. & Kaltenbrunner, M. észrevehetetlen szerves elektronika. MRS Bull. 42, 124–130 (2017).

Kim, J. és mtsai. Ultravékony kvantumpontos kijelző integrálható viselhető elektronikával. Adv. Mater. 29., 1700217 (2017).

Miyamoto, A. és mtsai. Gyulladásmentes, gázáteresztő, könnyű, bőrre nyújtható elektronika nanomacsokkal. Nat. Nanotech. 12., 907–913 (2017).

Lei, T. és mtsai. Biokompatibilis és teljesen széteshető félvezető polimer ultravékony és ultrakönnyű tranziens elektronikához. Proc. Natl Acad. Sci. USA 114., 5107–5112 (2017).

Nawrocki, R. A., Matsuhisa, N., Yokota, T. & Someya, T. 300 nm-en észrevehetetlen, ultrarugalmas és biokompatibilis e-bőr tapintható érzékelőkkel és szerves tranzisztorokkal. Adv. Elektron. Mater. 2, 1500452 (2016).

Kaltenbrunner, M. és mtsai. Rugalmas, nagy tömegre jutó perovszkit napelemek króm-oxiddal - fém érintkezők a jobb stabilitás érdekében a levegőben. Nat. Mater. 14, 1032–1039 (2015).

Kaltenbrunner, M. és mtsai. Rendkívül könnyű kialakítás az észrevehetetlen műanyag elektronikához. Természet 499, 458–463 (2013).

Elektromágneses nyomkövető rendszerek. Polhemus https://polhemus.com/applications/electromagnetics/ (hozzáférés: 2018. június 11.).

3DCoilCube - Elektromágneses VR mozgáskövető érzékelők. Premo https://3dcoil.grupopremo.com/ (hozzáférés: 2018. június 11.).

OMMO. OMMO https://www.ommo.co/ (hozzáférés: 2018. június 11.).

Monks, K. Felejtsd el a hordható tech, beágyazható implantátumokat. CNN (2014. április 9.); https://go.nature.com/2AnXjlf

Északi mancs. Sensebridge https://sensebridge.net/projects/northpaw/ (hozzáférés: 2018. június 11.).

Biomágnesek. Veszélyes dolgok https://dangerousthings.com/biomagnets/ (hozzáférés: 2018. június 11.).

Meltzer, M. és mtsai. Észrevehetetlen magnetoelektronika. Nat. Commun. 6., 6080 (2015).

Cañón Bermúdez, G. S. et al. Mágnesérzékeny e-bőrök irányított érzékeléssel a kibővített valóság érdekében. Sci. Adv. 4, eaao2623 (2018).

Melzer, M. és mtsai. Hordható mágneses tér érzékelők a rugalmas elektronikához. Adv. Mater. 27., 1274–1280 (2015).

Alfadhel, A. és Kosel, J. mágneses nanokompozit csilló tapintási szenzor. Adv. Mater. 27., 7888–7892 (2015).

Münzenrieder, N. és mtsai. Teljesen rugalmas helyszíni kondicionált mágneses érzékelők. Adv. Elektron. Mater. 2, 1600188 (2016).

Makarov, D., Melzer, M., Karnaushenko, D. & Schmidt, O. G. alakítható magnetoelektronika. Appl. Phys. Fordulat. 3, 011101 (2016).

Melzer, M. és mtsai. Nyújtható magnetoelektronika. Nano. Lett. 11., 2522–2526 (2011).

Parkin, S. S. P. rugalmas óriási magnetorezisztencia szenzorok. Appl. Phys. Lett. 69, 3092–3094 (1996).

Uhrmann, T. és mtsai. Magnetostrikciós GMR érzékelő rugalmas poliimid hordozókon. J. Magn. Magn. Mater. 307, 209–211 (2006).

Chen, Y. és mtsai. A rugalmas magnetoelektronika felé: pufferral javított és mechanikusan hangolható GMR Co/Cu többrétegű műanyag hordozókon. Adv. Mater. 20, 3224–3228 (2008).

Pérez, N. és mtsai. Nagy teljesítményű óriási magnetorezisztív szenzorok rugalmas Si membránokon. Appl. Phys. Lett. 106., 153501 (2015).

Barraud, C. és mtsai. Mágnesellenállás rugalmas mágneses alagút csomópontokban, rugalmas szerves szubsztrátumokon. Appl. Phys. Lett. 96, 072502 (2010).

Bedoya-Pinto, A., Donolato, M., Gobbi, M., Hueso, L. E. & Vavassori, P. Rugalmas spintronic készülékek a Kaptonon. Appl. Phys. Lett. 104, 062412 (2014).

Griesbach, T., Wurz, M. C. és Rissing, L. Moduláris mágneses tér mikroszenzor tervezése, gyártása és tesztelése hajlékony polimer fólián. IEEE Trans. Magn. 48, 3843–3846 (2012).

Wang, Z. és mtsai. Nagyon érzékeny rugalmas mágneses érzékelő, amely anizotróp magnetoresistance hatáson alapul. Adv. Mater. 28., 9370–9377 (2016).

Li, B., Kavaldzhiev, M. N. & Kosel, J. Rugalmas magnetoimpedancia szenzor. J. Magn. Magn. Mater. 378, 499–505 (2015).

Wang, Z., Shaygan, M., Otto, M., Schall, D. & Neumaier, D. Rugalmas Hall-érzékelők grafén alapján. Nanoméretű 8., 7683–7687 (2016).

Heidari, H., Bonizzoni, E., Gatti, U., Maloberti, F. & Dahiya, R. CMOS függőleges Hall mágneses érzékelők rugalmas hordozón. IEEE Sens. . 16., 8736–8743 (2016).

Monch, I. J. és mtsai. Rugalmas Hall szenzorok a mágneses lebegés fluxus alapú vezérléséhez. IEEE Trans. Magn. 51, 4004004 (2015).

Melzer, M. és mtsai. A mágneses érzékelő eszközök közvetlen átadása a nyújtható elektronika elasztomer támaszaira. Adv. Mater. 27., 1333–1338 (2015).

Melzer, M., Lin, G., Makarov, D. & Schmidt, O. G. nyújtható spin-szelepek elasztomer membránokon előre meghatározott periodikus töréssel és véletlenszerű ráncolással. Adv. Mater. 24., 6468–6472 (2012).

Li, H. és mtsai. Kihúzható centrifugaszelep stabil mágneses térérzékenységgel, szalagmintás periódusos ráncok által. ACS Nano 10., 4403–4409 (2016).

Liu, Y.-W., Zhan, Q.-F. & Li, R.-W. Rugalmas mágneses filmek gyártása, tulajdonságai és alkalmazásai. Áll. Phys. B 22., 127502 (2013).

Jogschies, L. és mtsai. A magnetorezisztív szenzorok legújabb fejlesztései ipari alkalmazásokhoz. Érzékelők 15, 28665–28689 (2015).

Suo, Z., Ma, E. Y., Gleskova, H. & Wagner, S. A tekercselhető és összehajtható film-fólián elektronika mechanikája. Appl. Phys. Lett. 74., 1177–1179 (1999).

Rottmann, F. & Dettmann, F. Új magnetorezisztív érzékelők: Mérnöki munka és alkalmazások. Sens. A működtetők: Fiz. 27., 763–766 (1991).

Caruso, M. J., Bratland, T., Smith, C. H. és Schneider, R. Új perspektíva a mágneses tér érzékeléséről (Honeywell, 1998).

1 és 2 tengelyes mágneses érzékelők HMC1001/1002/1021/1022 (Honeywell, 2008); https://go.nature.com/2Jawa8l

Panda3D. Carnegie Mellon Egyetem https://www.panda3d.org/ (hozzáférés: 2018. május 26.).

Wiltschko, W. & Wiltschko, R. Mágneses orientáció és magnetorecepció madarakban és más állatokban. J. Comp. Physiol. A 191, 675–693 (2005).

Mohamadabadi, K. Anizotróp mágneses rezisztencia mágnesmérő inerciális navigációs rendszerekhez. PhD értekezés tétele, Ecole Polytechnique X (2013).

Li, X., Ding, G., Ando, T., Shikida, M. & Sato, K. galvanizált permalloy filmek mikromechanikus jellemzése MEMS számára. Microsyst. Technol. 14, 131-134 (2007).

Jeong, C. K. és mtsai. Önhajtású, teljesen rugalmas fénykibocsátó rendszer, amelyet a rugalmas energiaszedő tesz lehetővé. Energiakörnyezet. Sci. 7, 4035–4043 (2014).

Köszönetnyilvánítás

Tudomásul vesszük az éleslátó beszélgetéseket T. Kosubval és J. Ge-vel (mindkettő HZDR). Köszönetet mondunk B. Scheumannnak, R. Kaltofennek és J. I. Mönch (egész HZDR) fémréteg-halmok lerakására. Nagyra értékeljük a Rossendorf Strukturális Jellemző Szolgáltatások támogatását a HZDR Ion Sugárközpontjában (IBC). Ezt a munkát részben az Európai Kutatási Tanács finanszírozza az Európai Unió hetedik keretprogramja (FP7/2007–2013)/ERC támogatási megállapodás keretében. 306277 és a Német Kutatási Alapítvány (DFG) MA 5144/9-1.

Szerzői információk

Hovatartozások

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e.V., Ionnyalábfizikai és Anyagkutatási Intézet, Drezda, Németország

Gilbert Santiago Canyon Bermudez, Hagen Fuchs, Lothar Bischoff, Jürgen Fassbender és Denys Makarov

A PubMed Google Scholar alkalmazásban is kereshet erre a szerzőre

Hozzájárulások

G.S.C.B. megtervezte és gyártotta az érzékelőket és elvégezte a kísérleteket. G.S.C.B és D.M. elemezte az adatokat és az összes szerző közreműködésével készített adatokat. HF. írta a szkripteket, hogy összekapcsolják a játékmotort a megszerzett adatokkal. L.B. elvégezte a minták szerkezeti jellemzését. G.S.C.B. és D.M. írta a kéziratot az összes szerző észrevételeivel. Minden társszerző szerkesztette a kéziratot. D.M. és J.F. fogant a projekt.

Levelező szerzők

Etikai nyilatkozatok

Versenyző érdekek

A szerzők kijelentik, hogy nem versengenek egymással.

További információ

A kiadó megjegyzése: A Springer Nature semleges marad a közzétett térképeken és az intézményi kapcsolatokban szereplő joghatósági állítások tekintetében.

Kiegészítő információk

Kiegészítő 1–10

Kiegészítő videó 1

Az e-skin iránytű lapos mintatartóra van felszerelve. A tartó elforgatásakor az érzékelt kimeneti feszültség a számítógép képernyőjén eléri a minimumot, amikor az érzékelő tengelye (fekete nyíllal jelezve) igazodik a geomágneses tér tájolásához. A közeli iránytű referencia igazolja a mágneses észak tájolását.

2. kiegészítő videó

Az e-skin iránytű egy motoros mintatartóra van felszerelve, amelyet egy léptető motor hajt, amely az iránytűt az óramutató járásával ellentétes irányba forgatja a mágneses észak helyén, három különböző kezdeti helyzetből kiindulva. Ezeket a kiindulási helyzeteket tetszőlegesen úgy definiálják, hogy 0, 90 és –90 ° eltolásokkal rendelkeznek, 0 ° jelzi azt az esetet, amikor az érzékelő tengelye (fekete nyíl) a számítógép képernyőjére mutat (kb. –108 ° a mágneses északhoz képest). A jel kiolvasásában szereplő maximumok, amelyek megfelelnek az érzékelő tengelyének a geomágneses mezővel való összehangolásának, mindig ugyanabban a szöghelyzetben keletkeznek, függetlenül a kezdeti eltolástól. Ez jelzi a geomágneses tér orientációjának kiolvasásának abszolút jellegét az e-skin iránytű segítségével.

3. kiegészítő videó

A 2. kiegészítő videóhoz hasonlóan az e-skin iránytűt egy léptetőmotor forgatja. Ebben az esetben azonban egy Helmholtz-tekerccsel egy jobbra mutató torzító külső mágneses mező keletkezik (a mező erőssége 43 μT; orientáció a mágneses északhoz képest 163 ± 1 °). Ennek a mágneses zavarnak köszönhető, hogy a detektált maximumok megváltoztatják szöghelyzetüket, és most 72 ± 1 ° -ban fordulnak elő a mágneses északhoz képest. A mért jel nagysága és az extrém szöghelyzete alapján vektor kivonással rekonstruálható a geomágneses tér nagysága és tájolása. Az OFF tekercsgel végzett mérés ismét ugyanolyan nagyságú és irányú, mint a 2. kiegészítő videóban, és megerősíti a rekonstruált mezőt (5. kiegészítő ábra).

Kiegészítő videó 4

Egy személy az e-bőr iránytűt viseli az ujján, és mutogatva maga körül forog. Az érzékelő kimeneti adatait egy közeli számítógép gyűjti össze, és nyomként és virtuális iránytűként jeleníti meg a képernyőn. Amint a személy mágneses északra (délre) mutat, a nyom eléri a maximumot (minimum), és a virtuális iránytű északra (délre) mutat. Két kamera rögzíti a kísérletet, egyszerre filmezve a számítógép képernyőjét és a személy teljes testének mozgását.

5. kiegészítő videó

Az e-bőr iránytű egy személy középső ujjára van rögzítve. Amint a személy mozgatja a kezét, az iránytű tengelye megváltoztatja relatív orientációját a geomágneses mezőhöz. Ezáltal a kimeneti feszültség változása jön létre, amely összefügg az aktuális kéz helyzetével. A feszültségjelet egy számítógép szerzi be, ahol egy virtuális panda be van programozva, hogy állandó sebességgel haladjon előre. Az egyes kézpozíciók a számítógép meghatározott szöghelyzeteihez vannak kódolva, utasítva a virtuális pandát, hogy melyik irányba kell mozogni. A kézmozdulatok sorrendje tetszés szerint irányíthatja a panda mozgását, és meghatározhatja a pályákat a virtuális környezetben.

Kiegészítő videó 6

Az AMR kanyargós érzékelőt egy mechanikus hordágyon rögzítik, ahol lapos állapotától 1 mm görbületi sugárig hajlik. Az érzékelő ellenállását folyamatosan rögzítik a hajlítási folyamat során. A rúdhoz rögzített külső mágnest úgy helyezik el az érzékelő közvetlen közelében, hogy a mágneses mező párhuzamos legyen az érzékelő síkjával. A külső mágneses inger eltávolításakor az ellenállás visszaáll az alapszintjére.