Un capteur inspiré des poissons « touche » à l'aide de champs électriques
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La capacité de détecter une présence proche sans la voir ni la toucher peut sembler fantastique, mais c'est une capacité réelle que possèdent certaines créatures. Une famille de poissons africains connus sous le nom de Mormyrides est faiblement électrique et possède des organes spéciaux qui peuvent localiser une proie proche, qu'elle soit dans une eau trouble ou même cachée dans la boue. Aujourd'hui, des scientifiques ont créé un système de capteurs artificiels inspiré de la conception originale de la nature. Ce système pourrait être utilisé un jour en robotique et dans les prothèses intelligentes pour localiser des objets sans avoir recours à la vision artificielle.
« Nous avons mis au point une nouvelle stratégie de positionnement en 3D par peau électronique, bio-inspirée du « poisson électrique » », explique Xinge Yu, professeur associé au département d'ingénierie biomédicale de la City University of Hong Kong. L'équipe a décrit son capteur, qui s'appuie sur la capacité pour détecter un objet indépendamment de sa conductivité, dans un article publié le 14 novembre dans la revue Nature.
Une couche du capteur agit comme un émetteur, générant un champ électrique qui s'étend au-delà de la surface du dispositif. Une autre couche fait office de récepteur, capable de détecter à la fois la direction et la distance d'un objet. Cela permet au système de capteurs de localiser l'objet dans l'espace tridimensionnel.
Illustration montrant les couches de l'e-skin. Les couches énumérées de haut en bas sont l'encapsulation, le récepteur, le diélectrique, l'émetteur et le substrat. Le capteur e-skin comprend plusieurs couches, dont un récepteur et un émetteur. Jingkun Zhou, Jian Li et al.
Les couches d'électrodes du capteur sont constituées d'un biogel imprimé sur les deux faces d'un substrat diélectrique en polydiméthylsiloxane (PDMS), un polymère à base de silicium couramment utilisé dans les applications biomédicales. Les couches de biogel acquièrent leur capacité à transmettre et à recevoir des signaux électriques grâce à un réseau de microcanaux à leur surface. Le résultat final est un capteur fin, flexible, souple, extensible et transparent. Ces caractéristiques le rendent adapté à un large éventail d'applications dans lesquelles un système de détection d'objets doit s'adapter à une surface irrégulière, comme le corps humain.
Le champ capacitif autour du capteur est perturbé lorsqu'un objet passe à proximité, ce qui peut être détecté par le récepteur. L'ampleur du changement de signal indique la distance de la cible. En utilisant plusieurs capteurs en réseau, le système peut déterminer la position de la cible en trois dimensions. Le système créé dans cette étude est capable de détecter des objets jusqu'à 10 centimètres de distance lorsqu'il est utilisé dans l'air. La portée augmente lorsqu'il est utilisé sous l'eau, jusqu'à 1 mètre.
Pour fonctionner, les capteurs ont également besoin d'un contrôleur séparé qui est connecté par des fils d'argent ou de cuivre. Le contrôleur remplit plusieurs fonctions. Il crée le signal de commande utilisé pour activer les couches de transmission. Il utilise également des convertisseurs analogiques-numériques de 16 bits pour collecter les signaux des couches réceptrices.
Ces données sont ensuite traitées par un microcontrôleur attaché au réseau de capteurs, qui calcule la position de l'objet cible et envoie ces informations à un smartphone ou à un autre appareil par l'intermédiaire d'un émetteur Bluetooth Low Energy. (Plutôt que d'envoyer les données brutes à l'appareil final pour qu'il les calcule, ce qui nécessiterait plus d'énergie).
L'énergie est fournie par une batterie lithium-ion intégrée qui est rechargée sans fil par l'intermédiaire d'une bobine de fil de cuivre. Le système est conçu pour consommer un minimum d'énergie électrique. Le contrôleur est moins souple et moins transparent que les capteurs, mais grâce à son encapsulation dans du PDMS, il est à la fois étanche et biocompatible.
Le système fonctionne au mieux lorsqu'il détecte des objets d'environ 8 millimètres de diamètre. Les objets de moins de 4 mm peuvent ne pas être détectés avec précision, et le temps de réponse pour la détection d'objets de plus de 8 mm peut augmenter de manière significative. Cela pourrait actuellement limiter les utilisations pratiques du système à des choses telles que le suivi des mouvements des doigts pour les interfaces homme-machine. Des développements futurs seront nécessaires pour détecter des cibles plus grandes.
Le système peut détecter des objets derrière une barrière de tissu ou de papier, mais d'autres facteurs environnementaux peuvent dégrader les performances. Les variations de l'humidité de l'air et les interférences électromagnétiques provenant de personnes ou d'autres appareils situés à moins de 40 cm du capteur peuvent nuire à la précision.
Les chercheurs espèrent que ce capteur pourrait un jour ouvrir la voie à une nouvelle gamme de capteurs portables, notamment pour les interfaces homme-machine et les peaux électroniques fines et souples. Bob Raikes, rédacteur en chef de la 8K Association, explique que ce type de technologie tactile capacitive projetée a été limité aux panneaux rigides.
« L'industrie automobile s'est particulièrement intéressée aux surfaces tactiles flexibles qui peuvent être moulées pour épouser les courbes d'un cockpit automobile, et cette technologie flexible pourrait être la solution dont elle a besoin pour les interfaces utilisateur sans contact », explique-t-il.