Genom den listiga användningen av magnetfält, forskare från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och Johannes Kepler-universitetet i Linz har utvecklat den första elektroniska sensorn som samtidigt kan behandla både beröringsfria och taktila stimuli. Tidigare försök har hittills misslyckats med att kombinera dessa funktioner på en enda enhet på grund av överlappande signaler från de olika stimulierna. Eftersom sensorn lätt appliceras på den mänskliga huden, det skulle kunna tillhandahålla en sömlös interaktiv plattform för scenarier med virtuell och förstärkt verklighet. Forskarna har publicerat sina resultat i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

Det största mänskliga organet - huden - är förmodligen den mest funktionellt mångsidiga delen av kroppen. Den kan inte bara skilja mellan de mest varierande stimuli inom några sekunder, men den kan också klassificera intensiteten hos signaler över ett brett intervall. En forskargrupp ledd av Dr. Denys Makarov från HZDR:s Institute of Ion Beam Physics and Materials Research samt Soft Electronics Laboratory ledd av Prof. Martin Kaltenbrunner vid Linz University har lyckats producera en elektronisk motsvarighet med liknande egenskaper. Enligt forskarna, deras nya sensor kan avsevärt förenkla samspelet mellan människor och maskiner, som Denys Makarov förklarar:"Applikationer i virtuell verklighet blir allt mer komplexa. Vi behöver därför enheter som kan bearbeta och urskilja flera interaktionslägen."

De nuvarande systemen, dock, fungerar antingen genom att endast registrera fysisk beröring eller genom att spåra föremål på ett beröringsfritt sätt. Båda interaktionsvägarna har nu kombinerats för första gången på sensorn, som har kallats ett "magnetiskt mikroelektromekaniskt system" (m-MEMS) av forskarna. "Vår sensor bearbetar de elektriska signalerna från de beröringslösa och de taktila interaktionerna i olika regioner, " säger publikationens första författare Dr Jin Ge från HZDR, lägga till, "och på detta sätt, det kan särskilja stimulans ursprung i realtid och undertrycka störande influenser från andra källor." Grunden för detta arbete är den ovanliga design som forskarna arbetade fram.

Flexibilitet på alla ytor

På en tunn polymerfilm, de tillverkade först en magnetisk sensor, som förlitar sig på vad som kallas Giant Magneto Resistance (GMR). Denna film förseglades i sin tur av ett kiselbaserat polymerskikt (polydimetylsiloxan) innehållande ett runt hålrum utformat för att vara exakt i linje med sensorn. Inuti detta tomrum, forskarna integrerade en flexibel permanentmagnet med pyramidliknande spetsar som sticker ut från dess yta. "Resultatet påminner mer om matfilm med optiska utsmyckningar, " kommenterar Makarov. "Men detta är just en av vår sensors styrkor." Det är så den förblir så exceptionellt flexibel:den passar alla miljöer perfekt. Även under böjda förhållanden, det fungerar utan att förlora sin funktionalitet. Sensorn kan således mycket enkelt placeras, till exempel, på fingertoppen.

Det är just på detta sätt som forskarna testade sin utveckling. Jin Ge utvecklar:"På bladet av en tusensköna fäste vi en permanent magnet, vars magnetfält pekar i motsatt riktning av magneten som är fäst vid vår plattform." När fingret nu närmar sig detta yttre magnetfält, det elektriska motståndet hos GMR-sensorn ändras:det sjunker. Detta sker tills den punkt då fingret faktiskt rör vid bladet. I detta ögonblick, den stiger abrupt eftersom den inbyggda permanentmagneten pressas närmare GMR-sensorn och på så sätt överlagrar det externa magnetfältet. "Det här är hur vår m-MEMS-plattform kan registrera en tydlig förändring från beröringsfri till taktil interaktion på några sekunder, säger Jin Ge.

Klicka istället för att klicka, klick, klick

Detta tillåter sensorn att selektivt styra både fysiska och virtuella objekt, som ett av experimenten utförda av teamet visar:på en glasplatta med vilken de försåg en permanent magnet, fysikerna projicerade virtuella knappar som manipulerar verkliga förhållanden, såsom rumstemperatur eller ljusstyrka. Med hjälp av ett finger på vilket den "elektroniska huden" hade applicerats, forskarna kunde först välja den önskade virtuella funktionen beröringsfritt genom interaktion med permanentmagneten. Så snart fingret rörde vid plattan, m-MEMS-plattformen bytte automatiskt till det taktila interaktionsläget. Lätt eller tungt tryck kan sedan användas, till exempel, för att sänka eller öka rumstemperaturen i enlighet därmed.

Forskarna skar ner en aktivitet som tidigare hade krävt flera interaktioner till bara en. "Det här kan låta som ett litet steg först, " säger Martin Kaltenbrunner. "På lång sikt, dock, ett bättre gränssnitt mellan människor och maskiner kan byggas på denna grund." Detta "elektroniska skinn" - förutom virtuella verklighetsutrymmen - skulle också kunna användas, till exempel, i sterila miljöer. Kirurger kan använda sensorerna för att hantera medicinsk utrustning utan att röra den under ett ingrepp, vilket skulle minska risken för kontaminering.