ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Обзор рынка мощных GaN- и SiC‑приборов

Тенденции развития силовой электроники

Тайвань и американо-китайская борьба за лидерство в микроэлектронике

Новые стимулирующие меры для развития производственной базы полупроводниковой промышленности в США

Современное состояние китайской микроэлектроники

КНР готовится к технологическому «разводу» с США

Современное состояние производственной базы микроэлектроники

Некоторые аспекты американо-китайской «технологической холодной войны»

Некоторые тенденции развития производственной базы микроэлектроники

Сбываются ли планы КНР по обеспечению самодостаточности в области ИС?

Новый план стимулирования НИОКР в США на 34 млрд долл.

Прогноз продаж полупроводникового оборудования

Производственная база микроэлектроники США

Ренессанс полупроводниковых технологий

Проблемы развития микроэлектроники КНР

Министерство обороны США расширяет возможности корпорации SkyWater Technology

Проблемы развития микроэлектроники КНР

ЕС выделяет 2 млрд евро на повышение квалификации занятых в микроэлектронной отрасли

В КНР начался второй этап работы «Большого фонда» развития микроэлектроники

Состояние и перспективы микроэлектроники США

Методика оценки экологичности производства ИС

Шесть чувств и не только…

Шесть чувств и не только…

Выпуск 16 (6715) от 20 августа 2020 г.
РУБРИКА: БИОТЕХНОЛОГИИ И БИОИНЖЕНЕРИЯ

Новые разработки в области электронных приборов постоянно революционизируют наш мир, но могут ли они изменить наше восприятие этого мира? Работы в области устройств и датчиков, воспроизводящих функции органов чувств человека, ведутся годами. Их цель – ​добиться функцио-нирования этих приборов на одном уровне с тем, как наши глаза, уши, нос, вкусовые рецепторы и кожа взаимодействуют с окружающим миром. Предлагаем вам обзор новейших возможностей воспроизведения и совершенствования человеческого чувственного восприятия.

Одной из первых разработок в области сенсорных технологий стали системы технического (машинного) зрения, применяемые в настоящее время повсеместно. Хотя машинное зрение, использующее для управления механическими компонентами цифровой ввод и вывод данных, функционирует совершенно иначе, чем человеческое, оно тем не менее позволяет механически воспроизводить задачи, которые обычно требуют участия оператора. Именно такая система видения позволяет некоторым современным автомобилям воспринимать окружающую обстановку и даже реагировать на нее, активируя систему торможения при вероятности столкновения. Датчики систем технического зрения, оснащенные алгоритмами распознавания образов, играют большую роль в распознавании лиц и других видах распознавания и анализа изображений.

Воспроизведение естественных ощущений имеет множество применений для улучшения повседневной жизни и повышения эффективности в различных отраслях промышленности. Электронная кожа(рис. 1), содержащая на гибкой и растягиваемой основе множество ультратонких, гибких устройств, сочетающих в себе изделия микроэлектроники и датчики, может имитировать чувство осязания при прикосновении протезов конечностей к чему-либо и способна обнаруживать и передавать пользователю даже световое давление. Развитие технологий открыло двери для устройств, улучшающих взаимодействие человека с компьютерами и основанных на имитации тактильных ощущений для предоставления указаний или уведомлений. Хотя подобные искусственные тактильные датчики ограничены требованиями к легкости и гибкости используемого материала, они нашли применение в робототехнике и даже смартфонах. По чувствительности они все ближе подходят к уровню человеческого чувства осязания, начиная распознавать, например, текстуру поверхности. Как и в случае с большинством таких технологий, сфера их использования постоянно расширяется, что обеспечивает хорошие возможности для дальнейшего развития.



Источник: Токийский университет

Рисунок 1. Электронная кожа, разработанная специалистами Токийского университета


Электронные носы и языки появились еще 10 лет назад. Сейчас они используются в пищевой, фармацевтической и химической промышленности, при упаковке и в экологических целях. Подобные датчики, призванные заменить человека при исполнении функций, которые могут быть неприятны или даже опасны, могут определять запахи пищевых продуктов, обеспечивая контроль качества и обнаружение загрязняющих веществ. Матрицы газовых датчиков электронных носов и жидкостных датчиков электронных языков вместе с инструментальными средствами распознавания образов способны обнаружить незначительные нюансы, которые могут быть неразличимы для человеческих чувств восприятия.

Функционирование электронных носов основано на обнаружении с использованием матрицы датчиков следа химического соединения в воздухе или на поверхности и его сопоставления с хранящимися в памяти образцами соединений и веществ. В настоящее время идут работы, цель которых – ​наделить электронные носы способностью диагностировать некоторые заболевания (например, рак легких – ​по определенным соединениям, присутствующим в дыхании), замерять уровень глюкозы в крови и т. д. В 2018 г. исследователи из Университета Брауна (Род-Айленд, США) разработали небольшой датчик, способный обнаруживать еще больше контекстной информации. Их TruffleBot (рис. 2) фиксирует небольшие изменения давления и температуры, являющиеся дополнительными физическими характеристиками, которые можно использовать для выявления запаха. Для обеспечения этих дополнительных функций используются как химические, так и механические датчики, в данном случае цифровой барометр. Новое устройство «умеет» даже нюхать, втягивая воздушные потоки для анализа и функционируя как настоящий нос.



Источник: Университет Брауна

Рисунок 2. Электронный нос TruffleBot, разработанный в Университете Брауна


Электронные языки работают по схожим принципам: матрица датчиков жидкости собирает информацию, которая затем анализируется с помощью компьютерного алгоритма, как и в случае с электронным носом (рис. 3). В то время как специфичность каждого сенсорного блока в массиве низкая, комбинация нескольких блоков и классов специфичности обладает большим информационным потенциалом. За годы использования в промышленных условиях в электронные языки были внесены некоторые усовершенствования. Большинство моделей основаны на методах измерения с использованием электрохимии, таких как потенциометрия или вольтамперометрия. Впервые вольтамперометрический электронный язык был изготовлен в 1997 г. Такие устройства можно без труда масштабировать, а также придавать им дополнительную функцию самополировки для защиты поверхности электродов от загрязнения. Как и у многих других сенсорных имитаторов, методология изготовления электронных языков хорошо отработана. Устройства обладают значительными возможностями для развития, такими как внедрение систем измерения микробной активности или качества воды, использование микроэлектродов и т. п.



Источник: ResearchGate.Net

Рисунок 3. Настройка электронного языка


Обратная сторона технологии распознавания вкуса – ​устройства, которые могут заставить нас думать, что мы пробуем то, чего на самом деле нет. Симуляция вкуса – ​еще одно увлекательное пересечение электроники и продуктов питания. Уже разработано несколько способов контроля вкусовых ощущений. Встроенные в палочки для еды электроды имитируют соленость, оснащенный электродами стакан воссоздает вкус лимонада (или другого напитка), а леденец с электродами в палочке изменяет вкус в зависимости от особенностей биохимии пользователя. Электроды на поверхности посуды и кухонных принадлежностей, позволяющие создать определенные ощущения при контакте с нашими органами чувств, – ​еще один шаг к переносу человеческого восприятия в пространство виртуальной реальности.

Разработка методов передачи информации без использования человеческих органов чувств или в качестве расширения их возможностей открывает большие перспективы: передавать зрительные сигналы тем, у кого проблемы со зрением, улучшать вкус и осязание и даже воссоздавать эти ощущения в виртуальной среде. А как насчет создания ощущений, которые люди никогда не испытывали? Основываясь на своем исследовании навигационных способностей птиц и летучих мышей, группа немецких ученых создала навигационный пояс feelSpace. Это носимое устройство преобразует магнитные токи в вибрации, позволяя людям ощущать направление и ориентироваться посредством тактильных раздражителей (рис. 4).



Источник: feelSpace

Рисунок 4. Навигационный пояс feelSpace


Иными словами, современные технологии позволяют значительно расширить возможности человеческих чувств, в том числе за счет чувств животных. Что еще может научиться ощущать человек и какие новые чувства мы можем создать? Перспективы завораживают…


Cabe Atwell. The Six Senses and Beyond: The Latest in Replicating and Enhancing Human Sensory Experiences. EE Times, July 9, 2020: https://www.eetimes.com/the-six-senses-and-beyond-the-latest-in-replicating-and-enhancing-human-sensory-experiences/#


МНЕНИЕ ЭКСПЕРТА

Александр Антипов

Лет 10 назад все были воодушевлены перспективами, которые открывала для здравоохранения носимая электроника – ​умные гаджеты. И сегодня носимые автоматические инсулиновые помпы, кардиостимуляторы и более простые устройства для мониторинга состояния здоровья стали реальностью. Так же обстоит дело и с человеко-машинными интерфейсами, которые позволяют выстроить естественное двунаправленное взаимодействие. Посредством устройств с подобными интерфейсами человек получает возможность взаимодействия с окружающим миром практически без «посредников». Основные сферы применения таких устройств – медицинская реабилитация, повышение качества жизни и опасные для здоровья производственные процессы. В России значительное количество инновационных предпринимателей работает в этом направлении, например компания «Моторика» с бионическим и активным протезом руки, или «Перчатка Брайля» и «Планшет Брайля» других разработчиков. Однако социально ориентированные проекты продвигать в России крайне сложно, а стоимость подобных устройств достаточно высока. Если же говорить о применении в промышленности, то основными препятствиями оказываются низкая производительность труда, низкие зарплаты и неготовность профессиональных союзов отстаивать интересы работников в более широком диапазоне.


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ