Аннотация
Данная работа основана на концепции междисциплинарного направления в науке и технике - «Инженерия функционально-активных контактных материалов и систем».
Предлагается новая архитектура мультисенсорной системы для робототехники, основанная на эффекте контактной разности потенциалов (КРП) на границе металл–металл или металл–полупроводник. Система способна одновременно регистрировать механическое давление и деформации, температуру, электростатические и магнитные градиенты. Статья детально раскрывает физические основы, цепи реализации, методы адресного опроса состояния КРП и алгоритмы анализа, давая основу для создания универсальных сенсорных оболочек для современных мобильных и стационарных роботов.
Введение
Современная робототехника предъявляет возрастающие требования к сенсорным покрытиям, имитирующим человеческую кожу. Необходимы системы, позволяющие одновременно определять силы контакта, температуры, приближения и даже различных полей. Действующие сенсорные решения, такие как ёмкостные, резистивные, оптические сенсорные матрицы, требуют отдельного источника питания, сложной активной электронной схемы и сложных матриц, что невозможно или затруднительно реализовать в гибких робототехнических системах, особенно в миниатюрных или автономных. Матричная организация сенсорных узлов усложняет прокладку линий, создание гибких покрытий со сложной геометрией, требует прецизионной калибровки, а потребляемая мощность и помехоустойчивость становятся критическими по мере роста площадей покрытий.
Функционально-активные контактные материалы предлагают альтернативу, базирующуюся на автоматическом преобразовании разнородных физических воздействий в электрический сигнал. Ключевая новизна работы - создание линейных поверхностных сенсорных элементов на основе множества КРП, каждый из которых становится микроэлектрическим генератором, чутким к специфическим внешним воздействиям, без необходимости внешних батарей. Применение энергоэффективных методов адресного опроса (напряжениями, частотами, фазовым сканированием) обеспечивает регистрацию каждого перехода и декодирование мультифизических сигналов в реальном времени, что позволяет реализовать принципиально новую конструкцию сенсорной «кожи» для робототехники.
1. Функционально-активные контактные материалы
Функционально-активные контактные материалы представляют группу композитных структур, где элементарным детектором является контакт двух материалов с разной электронной структурой - металл-металл или металл–полупроводник. В каждом месте соприкосновения реализуется контактная разность потенциалов φКРП, зависящая от работы выхода электронов каждого материала:
φКРП ≈ φM1 – φM2 (для металлов),
φКРП ≈ φM – χS (для металл–полупроводников, где χS - работа выхода полупроводника).
В проводнике, где материалы располагаются в виде последовательных чередующихся участков (рис. 1), образуется множество KРП-узлов, между которыми формируются миниатюрные локальные электрические барьеры.
Рис. № 1. Проводник с чередующейся знакопеременной контактной разностью потенциалов
Каждый переход из-за разницы работы выхода обладает способностью превращать локальное физическое возмущение (например, механическое давление, перепад температуры, электростатическое или магнитное воздействие) в электрический сигнал, который затем может быть адресно снят с цепи. При этом важно отметить, что в цепи из последовательно соединённых КРП, согласно закону Алессандро Вольта, общее напряжение не суммируется, что делает систему стабильной и предсказуемой в эксплуатации.
Сенсорные цепи из функционально-активных контактных материалов могут быть напечатаны или напылены на гибкие подложки, либо собраны проволочным или плёночным методом с фиксированной длиной. Типичный размер одного сенсорного сегмента - 0,1… 5 мм
2. Физические основы контактной разности потенциалов
Рассмотрим контакт Al–ZnO. Al–ZnO формирует выпрямляющий барьер (Шоттки-барьер) Влияние внешних факторов на КРП:
A. Тепловое воздействие. При наличии перепада температур на границе металл–полупроводник возникает термоэлектрическая ЭДС (эффект Зеебека).
B. Механические воздействия. ZnO обладает сильным пьезоэлектрическим коэффициентом. Локальное сжатие, изгиб или растяжение вызывает изменение заряда в переходе, изменяя КРП.
C. Электростатическое воздействие:
Переходная область характеризуется собственной ёмкостью Cj, типовые значения. При приближении объекта (тело человека, заряженный предмет) происходит смещение зарядов через индукцию, что мгновенно отражается на КРП.
D. Магнитное поле (B). В случае протекания измерительного тока (даже импульсного) в окрестности перехода, изменение направленности B вызывает действие силы Лоренца, что изменяет траекторию и плотность носителей, варьируя падение потенциала на переходе.
Комплексный отклик. На практике КРП формирует «матрицу чувствительности», поскольку каждый тип воздействия обладает разной скоростью и амплитудой генерации сигнала в переходе (различные постоянные времени: тепловая, механическая, электрическая, магнитная). Поэтому одна и та же КРП даёт многофакторный отклик - это используется в мультифизической детекции (будет рассмотрено ниже).
3. Последовательный опрос состояния КРП
Матричные сенсоры требуют сложной адресации (столбец/строка), что увеличивает количество соединительных линий и усложняет конструкцию. В предлагаемой системе используется линейная или плоскостная организация множества КРП, что позволяет применять простые методы адресации, например:
3.1. Вариант 1. Нелинейная линия
Структура сенсора металл-полупроводник обладает нелинейной вольт-амперной характеристикой. Мы подаём +U и -U так, чтобы суммарное напряжение пробивало барьер проводимости только в одной точке, где потенциалы складываются определенным образом. Регулируя напряжения на концах, мы смещаем эту «проводящую точку» вдоль проводника.
Таким образом состояние КРП в момент совпадения с «проводящей точкой» диагностируется значением протекающего тока в цепи.
3.2. Вариант 2. Высокочастотный (МГц) трансформатор со средними точками
В сенсор с знакопеременной контактной разностью потенциалов подается напряжение возбуждения и напряжение развёртки с помощью ВЧ трансформатора со средними точками
Рис. 2. Схема реализации последовательного опроса КРП ВЧ трансформатором со средними точками
Частота возбуждающих напряжений Uвозб:
F возб. = С / (2*L)
Где:
- С – скорость света, м/сек.
- L – длина диагностируемого проводника, м.
Частота развертки U разв:
Fразв. = (С*L1) / L
Где:
- L1 – точность определения места дефекта, м.
- С – скорость света, м/сек.
- L - длина диагностируемого проводника, м.
Трансформатор со средними точками Т1 изменяет фазы двух возбуждающих напряжений разной полярности так, что они пересекаются на элементе длины проводника L1
Рис. 3. График изменения напряжений в проводнике
Если мы низкие частоты (кГц), то на них длина волны составляет километры. Это значит, что для проводника длиной 1 метр сигнал распространяется практически мгновенно. Вся линия находится в «квазистатическом» режиме. Напряжение вдоль проводника будет распределяться линейно. Если на одном конце +U, а на другом -U, то в середине будет 0. Если мы меняем фазу одного из источников, мы просто сдвигаем точку нулевого потенциала, а не создаем узкий «пик» двойного напряжения, который бежит по проводу.
Чтобы получить локальный «пик» (точку встречи фронтов) - нужно, чтобы время распространения сигнала вдоль провода было сопоставимо с периодом колебания или длительностью фронта импульса. Именно поэтому в формуле появились скоростью света. Это неизбежно приводит к частотам МГц или наносекундным импульсам.
Таким образом состояние каждой КРП диагностируется протекающим током в цепи в каждый момент времени.
3.3. Вариант 3. Низкочастотное (кГц) фазовое сканирование
Вместо использования МГц диапазона, который сложен в реализации и чувствителен к геометрии робота, предлагается метод управляемой суперпозиции потенциалов в килогерцовом диапазоне.
Рассматривается сенсорная линия, к концам которой (А и Б) прикладываются противофазные напряжения:
UA(t)=U0⋅sin(ωt+ϕ)
UB(t)=−U0⋅sin(ωt)
В отличие от волновых процессов, на частотах 10–50 кГц распределение потенциала вдоль проводника линейно (квазистатический режим). В любой момент времени в проводнике существует точка 0, где потенциал равен нулю.
Варьируя соотношение амплитуд или фазовый сдвиг, мы перемещаем эту точку 0 вдоль линии. Сенсорный отклик (изменение тока в цепи) будет максимальным именно от того элемента, который находится в зоне максимального градиента потенциала или в точке переключения полярности. Это позволяет последовательно «опрашивать» элементы КРП, используя всего два провода.
4. Проблема униполярного сканирования и её решение
Когда мы делаем цикл развёртки с одной и той же полярностью – это вызывает:
1. Нагрев (I²R) именно в той КРП, которая в данный момент опрашивается с максимальной амплитудой.
2. Электрохимическую поляризацию перехода Шоттки (накопление заряда на границе раздела, особенно если есть хоть малейшие дефекты или влага).
3. Пироэлектрический отклик ZnO на этот самый локальный нагрев даёт ложный температурный сигнал, который накладывается на следующий цикл.
Если полярность всегда одна и та же - ошибка накапливается систематически. Каждая КРП получает небольшую температурную/зарядовую «память» от предыдущего цикла, и через 10–20 циклов появляется заметный дрейф нуля и кросс-чувствительность.
Решение - обязательное чередование полярности.
После каждого полного цикла развёртки (или полупериода) полярность обоих сигналов инвертируется. Это полностью компенсирует:
Джоулев нагрев в зоне максимального напряжения.
Электрохимическую поляризацию барьера Шоттки.
Пироэлектрический ложный отклик от локального нагрева.
Без чередования через 10–20 циклов появляется систематический дрейф ≥ 0,1 °C/цикл и потеря точности.
С чередованием система стабильна неограниченно долго и остаётся термостабильной.
5. Векторный анализ измерений и классификация воздействий
5.1 Пространственно-временная сигнатура
При многократной адресации каждого КРП строится вектор откликов Vx(ti) - матрица времени × номер перехода (или пространства).
Тетмоэффект - медленный плавный рост/спад сигнала на одном-двух соседних КРП, сигнал растянут по времени (термокондукция).
Механика - быстрый скачок сигнала, ограниченный по пространству одним переходом, сопровождается характерными колебаниями при снятии/наложении нагрузки (пьезоотклик плюс затухающие колебания).
Электростатика - очень быстрый всплеск, затем затухание, возможна согласованная реакция соседних КРП из-за распределения поля.
Магнитное поле - изменение амплитуды сигнала синхронно для большинства КРП.
5.2 Алгоритмическая классификация
Первичный этап - алгоритм выделяет амплитуду, длительность сигнала, корреляцию между соседними КРП (например, градиент по пространству).
Вторичный этап - классификатор на базе обучаемой ML-модели (например, CNN, SVM, RNN) - анализирует форму отклика, его динамику, выбирает наиболее вероятный тип воздействия.
Оценка интенсивности - регрессионная модель на основе амплитуды сигнала, интеграла от отклика или площади под сигнатурной кривой.
Заключение
Предложенная концепция - абсолютно оригинальна и выводит мультисенсорику, мультифакторные оболочки и инженерные материалы робототехники на новый технологический уровень, не реализованный ни в одной из существующих платформ. Сочетает энергоавтономность, мультифизическую чувствительность (температура, давление, поля) и простоту масштабирования.
Энергоэффективные схемы адресной развёртки с переключаемой полярностью устраняют тепловой и зарядовый дрейф, обеспечивая высокую долговременную стабильность.
Алгоритмы векторного анализа на основе машинного обучения позволяют отделять и количественно определять тип и силу воздействия даже при одновременном внешнем возмущении нескольких факторов. Сенсорная “кожа” легко интегрируется в робототехнические оболочки любого профиля, что открывает перспективу создания полноценных сенсорных “кож” нового поколения для робототехники, протезирования и интеллектуальных поверхностей.