Пользователь
0,0
рейтинг
29 июля 2013 в 21:11

Новый сенсорный материал для измерения деформации, влажности, температуры, давления… и что же дальше? из песочницы

Привет Хабра!
Так получилось, что я родился еще в Советском Союзе. Дело было в небольшом наукограде рядом с Москвой, в семье научных сотрудников. Рос в лучших традициях окончания советской эпохи, учился в обычной школе. Физика и математика давались мне легко, а вот гуманитарные науки не очень. В старших классах начал готовился к поступлению в институт, а по выходным копал картошку и собирал колорадских жуков, но сам мечтал быть бизнесменом и носить красный пиджак. Как и планировалось, я поступил в приличный технический ВУЗ, окончил его и получил специальность инженер-физик, как и мой отец. Но желание зарабатывать больше, чем родители у меня осталось. Поэтому карьера физика меня не радовала. И вот сейчас я работаю в инвестиционном бизнесе. Все бы ничего, но как-то мы разговорились с родителями о том, чем они сейчас занимаются. Оказалось, что спустя 20 лет работы, они пришли от теоретической науки к практической. И именно тут столкнулись с весьма банальной и простой проблемой – как из научного открытия сделать полезный и продаваемый продукт для потребителя? Но обо всем по порядку.

image



Чтобы не утомлять вас долгими, пусть и красочными, историями, перейду сразу к делу. В научной группе, в которой работают мои родители, был разработан новый материал. Нет, это не графен, но тоже весьма интересный. Это прозрачная органическая проводящая пленка, толщиной от 5 до 25 мкм, обладающая очень высокой чувствительностью для измерения температуры, давления, влажности и деформации. Высокая чувствительность пленки по сравнению с классическими металлами, заложена природой самого материала. Она обусловлена мягкой кристаллической решеткой, которая может деформироваться намного сильнее, чем решетка неорганических материалов, и отклик электрического сопротивления существенно выше (по сравнению с металлами).
Кроме того в пленке наблюдается эффект Зеебека (термоЭДС). Данный эффект в пленках был обнаружен относительно недавно, т.ч. еще до конца не изучен и не оптимизирован, но в первом приближении получается следующее:

image

Rвн = 40 кОм (разное для разных типов сенсоров)
Delta T = 10 градус С
U = 500 мкВ
I = 500 / 40 000 = 0,0125 мкА

Толщина пленки указана 25 мкм, т.к. именно для такой проводились данные измерения. Теоретически она может быть и минимальной (около 5 мкм), но тогда возникает вопрос толщины контактов.
Так же можно использовать свойства пленки в гибкой электронике

image

Использование пленок в гибкой электронике позволяет уйти от проблемы совмещения органических и неорганических материалов. Благодаря органическому происхождению пленки ее очень легко наносить на полимерные органические же матрицы (модуль Юнга в данном случае будет одного порядка), что повышает прочность относительно классических решений основанных на металлах.
Кроме того, благодаря гибкости пленки ее можно использовать и в текстильной промышленности, а именно вшивая сенсоры прямо в одежду.
Все технические выкладки и ссылки на статьи будут ниже. Но это все в теории, а что же на практике? Где можно применять все эти чудесные свойства? Первое что пришло в голову — была медицина. Я забыл упомянуть, что пленка полностью биосовместима (есть соответствующие сертификаты), это значит, что пленка не отторгается человеческим организмом. Почему медицина? Все просто, родители работают в Европе, а тут больше всего денег именно в этом секторе. Но начался кризис, и финансирование было заморожено. К тому моменту, уже были наработки. Например, был разработан прибор для измерения внутриглазного давления с помощью контактной линзы, дело оставалось за малым – беспроводная передача снимаемого сигнала. Но в команде нет «электронщика» и из этого вытекает куча проблем. Нет финансирования, значит нельзя нанять специалиста на стороне. А значит не получается довести до «коробки» продукт без заказа на разработку со стороны. Как говорят местные врачи, измерение и мониторинг внутриглазного давления очень важен для определения глаукомы на ранней стадии, когда ее еще можно вылечить. Я не специалист в этой области, т.ч. без комментариев.
В данном эксперименте использовался свиной глаз, надеюсь, защитники животных не будут оскорблены в своих чувствах картинкой ниже.

image

Дальше была идея разработать систему мониторинга жизнедеятельности человека, способную снимать в режиме он-лайн все основные показатели: пульс, температуру, давление, дыхание, движение и т.д. Но опять все уперлось в электронику, и вывод сигнала скажем на смартфон по блютус с возможностью передачи данных дальше по сотовым сетям. Думаю, нет смысла писать область применения подобных решений.
Датчика измеряющего пульса. Лабораторная разработка. Да это все уже есть в том или ином виде, но не забываем про уникальные свойства пленки, такие как биосовместимость, гибкость, дешевизну, чувствительность и простоту в использовании.

image

Возможность измерения дыхания:



Лабораторный образец прибора. Пленка установлена вот тут.

image

Но было решено начинать с более локальных и простых приборов — доработали интубационную трубку. Принцип очень прост, на внутреннюю поверхность трубки наклеивают небольшую полоску пленки, которая очень точно измеряет давление поступающего и выходящего из легких воздуха. Такая система, позволяет избежать повреждения легких из-за слишком высокого давления в системе поддержания жизнедеятельности.

image

Примерно на этом этапе я и узнал про работы направленные на коммерциализацию данных исследований. Естественно я пытался найти инвесторов в России (благо специфика моей работы позволяет, есть выходы как на просто богатых людей, так и на владельцев крупных производств), но никто из тех с кем я встречался не интересуется инвестициями в медицину, что в целом очень свойственно для всех развивающихся рынков, таких как Россия. И вот к чему я пришел, есть новый интересный запатентованный материал, дешевый в производстве (в лабораторных условиях 1 кв. см. стоит около 1.5 евроцентов) это с одной стороны. И есть инвесторы, готовые вложить как просто много денег, так и очень много денег в производство, но производство готового продукта, а не самой пленки, это с другой стороны. Но проблема в том, что продукта так и нет.
Одна из идей, для старта работы в России была в объединении пленки и RFID метки. Т.е. создание не просто метки, а метки умеющей давать в режиме он-лайн информацию о температуре и/или влажности в каждой упаковке/контейнере (складское хранение). Или биометки для измерения «средней температуры пациентов по больнице» одним нажатием кнопки. Другое решение (предложенное одной крупной корпорацией, но так и оставшееся на стадии «интересной разработки»), использование меток в автомобильных шинах для измерения давления. Про сочетание пленки и RFID технологии можно фантазировать довольно много, особенно если вспомнить про эффект термоЭДС, что позволяет теоретически улучшить (?) показатели пассивных меток. Но проблема все та же самая, нет человека, кто бы смог хотя бы на коленках соединить RFID и пленку и показать, как это работает. Не говоря уже про то, что нет программиста способного написать нужный софт.
Вот мы и подошли к тому, зачем я решил написать этот пост. Собственно саму Хабру я нашел в поисках информации о RFID. Честно пытался сам разобраться, но понял, что вся физика и радиоэлектроника была слишком давно в моей жизни и мне сейчас ближе такие понятия как IBIDTA, ROE и т.д. Конечно, у меня остались друзья, кто не пошел в бизнес, а остался в R&D и мы с ними уже начали сотрудничать по этому направлению, но все двигается очень медленно и пока не факт, что закончится чем-то по-настоящему интересным. А ведь очень хочется, чтобы путь из лаборатории до производства был максимально коротким, а не затянулся на несколько десятков лет, как это обычно бывает.
В последнее время, мне все больше и больше нравится краудсорсинг для решения каких либо задач. Поэтому я решил написать пост сюда. С одной стороны, на Хабре очень много профессионалов умеющих работать руками (не раз в этом убеждался, читая различные статьи) и может быть, кто то захочет попробовать сделать сенсор с использованием данных пленок. С другой стороны многие из вас работают в тех отраслях, где использование пленок может быть интересным решением, как для внедрения новой системы мониторинга, так и для оптимизации существующих решений. Ну и конечно же будет интересно услышать ваши идеи о способах применения подобных пленок. А если найдутся люди из R&D, кому будет интересно сотрудничество на уровне научных групп, то я буду только рад.
Другими словами, я приглашаю всех желающих принять участие в одной из самых интересных фаз разработки чего-то нового – в выводе нового материала из лаборатории в массовое производство. И чем черт не шутит, если получится что-то интересное, то кроме тех потенциальных инвесторов, про которых я писал выше, всегда есть kickstarter и другие подобные ресурсы.
Ну и еще немного для полета фантазии: чувствительность пленки (размер 1 кв.см. при потреблении 25 mW) позволяет измерить изменение температуры в изолированном помещении (комната 20 квадратов) при появлении там человека. Были идеи снабдить сенсорами геймпады для PS и Xbox, для измерения пульса игрока и влажности рук, но они только что выпустили новые девайсы, хотя если тут найдутся люди из Sony или Microsoft, буду рад сотрудничеству. Так же высокая чувствительность позволяет задуматься над использованием пленок в инклинометрах. Данная пленка является синтетическим материалом, что позволяет менять ее структуру и свойства (в рамках разумного) в зависимости от поставленных целей. Например немного изменяя структуру пленки мы получаем сенсор чувствительный к деформации стабильно работающий в широком спектре температур (от 140 К до 350 К). Или изменив еще немного структуру получаем датчик влажности работающий от 10% до 100% влажности. При этом нет необходимости в «просушке» сенсора после использования. И в конце хотел добавить, что данные пленки довольно долговечны – некоторые образцы работают уже около 15 лет, т.е. практически с момента их синтеза.
За другими тех.данными и пруфпиками прошу по ссылкам ниже:

Ссылки на некоторые статьи:
1. Ultrasensitive Piezoresistive All-Organic Flexible Thin Films
2. Highly piezoresistive textiles based on a soft conducting charge transfer salt
3. Linked Crystallites in the Conducting Topmost Layer of Polymer Bilayer Films Controlled by Temperature: From Micro- to Nanocrystallites
4. Direct micro-patterning of TTF-based organic conductors on flexible substrates
5. All-organic pressure sensor for monitoring quite large pressure values with a high level of measurement accuracy

Дисклаймер: как я уже писал, я сейчас очень далек от науки в целом, так что если где-то я что-то не совсем правильно написал, прошу не винить и давать свои замечания в личку, буду исправлять. В целом прощу рассматривать данную статью как перевод с научного языка на более менее обычный. Если же будут вопросы по существу, велкам, постараюсь сам ответить, а если не получится, переадресую их компетентным людям.

UPD 1: Как и обещал, выкладываю доп.материал Презентация с некоторыми техническими деталями
UPD 2: Не сочтите за пиар, но т.к. получил несколько сообщений в личку от друзей хабраюзеров не имеющих возможность писать сюда, думаю правильным будет оставить мой мейл для вопросов: i.laukhin at gmail.com
UPD 3: Уважаемые хабралюди, к сожалению у меня не получилось отправить/отдать образцы материал всем желающим с первого раза. Но в конце года я планирую вторую «раздачу слонов», т.ч. если кому-то все еще интересно пишите в личку, комментарии сюда или на почту i.laukhin@gmail.com
@poohi
карма
17,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (47)

  • –3
    … А в это время китайцы внимательно читают эту статью…
    Не повредит ли большой науке рассказ о том переднем крае работ?
    • +7
      Китайцы в основном копируют уже готовые решения, а тут готового решения нет.
  • +6
    Интересует использование пленки в качестве датчика пульса — есть одна интересная идея. Что необходимо сделать для получения тестового образца?
    • +1
      Написать в личку и по возможности добавить хотя бы немного деталей.
  • +11
    Интересно. В робототехнике последние несколько лет довольно широко экспериментируют с гибкими и полугибкими датчиками давления. Универсальный датчик, интегрированный в поверхность может быть идеальным для искусственной кожи, нынешние о которых знаю только на давление работают.
    В России сейчас андроидами и гуманоидными роботами толком занимаются энтузиасты и только две лаборатории, Нейроботикс и НПО Андроидная техника, но можно их палочкой потыкать.
    • +2
      А подскажете, кого именно палочкой тыкать в этих лабораториях? А то не хочется начинать с «холодных» звонков.
      • 0
        К сожалению только поверхностно год назад общался с товарищами из Нейроботикс, с Андроидной Техникой вообще не знаю никаких связей, но первые — небольшая команда, плюс они занимаются биотехнологиями в первую очередь, так что думаю можно кому угодно писать. С НПО АТ возможно сложнее, они сейчас выглядят какими-то очень секретными, побочный продукт работы на космос наверное.
  • +4
    Как можно получить образцы датчиков? Не голой плёнки, а именно плёнки с контактами (чтоб припаяться можно было). В общем, вы очень хорошо про Хабр придумали, сейчас у вас тут расхватают все образцы, так что встаю в очередь :-)
    • +1
      Хорошая идея раздать образцы. А еще, Автор, загляните сюда www.kickstarter.com/
      Возможно Кикстартер поможет решить Вам проблему с финансированием.
      • +1
        Про Кикстартер автор в топике упомянул. А насчет раздать образцы — очень хорошая идея, но получается что нужны образцы разных типов — под разные датчики. Ибо, как я понял, под разное назначение нужны разные модификации пленки.
        • 0
          Совершенно верно, разные датчики разные модификации.
          • +1
            то есть вот и готовое бизнес решение — продавать датчики разных модификаций. А для начала раздать инженерные образцы.
            • 0
              для разных задач нужны разные модификации одного и того же датчика. Найти наиболее востребованную (или наиболее легко продаваемую) модификацию и поставить ее на поток, вот что интересно.
    • 0
      А какие именно датчики Вам интересны? Думаю, можно будет что-то организовать, правда тут еще есть вопрос логистики, Вы, где находитесь территориально?
      • 0
        Датчик температуры/влажности — само собой. Пульс мерять — актуально. Сенсор давления — для использования в захвате манипулятора (типа такого). А самое для меня интересное — сенсор изгиба. Т.е. чтоб менялось сопротивление в зависимости от угла изгиба плёнки.

        Я в МСК нахожусь, логистику можно туда или в Питер или в Тулу (а оттуда я уж сам вывезу).
      • +1
        Интересует датчик давления и изгиба. Киев.
    • 0
      с контактами сложнее, возможно будет достаточно рекомендаций по тому как их припаять? Сейчас формирую очередь на образцы, т.ч. пишите в личку
  • +3
    Новый сенсорный материал для измерения деформации, влажности, температуры, давления

    Как вам удается вычленить аналитический сигнал, если одновременно варьируются все эти параметры?
    • +2
      Понял, там разное строение пленки для разных датчиков. То есть это будут разные датчики.
      • 0
        Там вроде разное расположение токосъёмников, возможно еще изменение разных электрических характеристик (диэлектрическая проницаемость, сопротивление) при изменении разных физических…
      • 0
        Все верно
  • +6
    Наверно, зря начали ориентироваться на медицину на начальном этапе. Это такая область, в которой ничего быстро не делается (хотя вот вы даже сертификат на биосовместимость уже получили, это удивительно).

    Наверно, стоит начать с технических применений материала. Японцы бы его с руками оторвали. Для роботов до сих пор не придумали нормальных датчиков касаний, а тут у вас и давление и деформация и термодатчик в одном флаконе.

    Необходимо больше информации о возможностях материала. Диапазон выдаваемых значений при каждом виде измерений. Наличие/отсутсвие гистерезиса и усталости (ухудшении характеристик) при длительном использовании.
    • +3
      Датчики касаний есть и разные, тут именно интересна возможная матрица чередующихся датчиков на различные параметры, для искусственной кожи просто красота.
    • 0
      Практически все технические детали есть по ссылкам в конце поста. Я специально не стал нагружать статью всей технической информацией. Кстати, вечером постараюсь сделать апдейт и выложить презентацию по материалу.
  • +3
    Хочется больше технических деталей и тестовый образец.
    Ну и еще хочется знать насколько реально производить эту чудо-пленку в промышленных масштабах. Как будут детали, спрошу у наших людей из разных групп.
    • 0
      Вечером будет апдейт с презентацией технических данных. Что касается промышленных масштабов, то теоретически это не проблема, правда возникает вопрос, а что считать промышленными?
      • 0
        Я бы сказал, что для начала должна быть возможность выпускать хотя бы 10к-100к датчиков (пленок?) в месяц.
        А то существует очень много прикольных технологий, которые всем хороши, но больше 1-100 единиц продукции выпускать в месяц становится безумно дорого или невозможно.
        • 0
          Думаю это без проблем. ограничений по маштабируемости вроде нет, ставит 10-100 колб, смешиваем, ждем 3 часа, обрабатываем еще минут 20, потом по другому еще минут 20 и готово. Тут ключевой вопрос сколько пленки (кв см) надо на один датчик.
  • +2
    Таки да, тестовый малюююсенький образец бы не помешал, готов даже отправить его обратно опосля.(если не поломаю конечно, хотя если поломаю могу поломанную вернуть)
    • 0
      Перед отправкой тестового образца хотелось бы получить немного больше информации о том для чего он Вам? Температура, давление, влажность? Он Вам нужен под конкретную идею или просто? Куда отправлять?
      • 0
        Ну идей то куча но вопрос в чуствительности и самой структуры пленки/датчика по влажности идей нет вот по давлению и температуре интересно было бы покрутить, причем и там и там пару штук дабы измерять не локально а изменения во времени/пространстве, отправлять в Украину(Киев) если что напишу точный адрес в личку.
  • 0
    Дальше была идея разработать систему мониторинга жизнедеятельности человека, способную снимать в режиме он-лайн все основные показатели: пульс, температуру, давление, дыхание, движение и т.д.

    Я считаю это направление наиболее перспективным. Постоянный контроль таких важных показателей может очень неплохо изменить жизнь человека. Допустим, вызов скорой при остановке пульса или дыхания, оповещение своего лечащего врача при пересечении каких-то пороговых значений. А прибавить к этой информации истории болезней и с помощью big data/data mining/machine learning можно будет предсказывать множество болезней на самом раннем этапе.
  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
  • +5
    Выпустите _нормальный_ электронный термометр (медицинский) который позволяет реально быстро и точно мерить температуру и работает как обещано. т.е. в одно касание и т.п.
    А не как обычно:

    Измерение за 10 сек!*
    *позволят понять стоит ли вызвыать скорую.

    Можно в виде устройства для мобильника. Что бы не заморачиватся с выводом данных.
    • 0
      Особенно актуально для детей. Измерить ребенку температуру обычным контактным термометром порой невыполнимая задача
      • 0
        Может мне повезло с ребенком, но вроде не проблема )) или это пока )
  • +1
    Подпишусь. Сейчас делается проект связанный с мониторингом здоровья, и, скажем так, датчики — это основной вопрос, который стоит на повестке дня. Если инвестора можно будет убедить в целесообразности такого R&D и, что самое главное — вложений, то вполне возможно появится какой-то прототип и сотрудничество.
  • 0
    В принципе, бизнес может быть и на уровне датчиков как отдельных (но завершённых) универсальных компонентов. Не обязательно сразу готовое устройство.
  • +1
    Я тоже родился в Союзе и — видимо — где-то отстал от жизни, потому что никак не пойму — что это за ед.изм. — «мкр»?
    Микроны при Союзе назывались «мкм» (микрометр).
    Или что?
    • 0
      исправил, спасибо
  • 0
    Если есть патент, то есть и номер публикации. Было бы любопытно почитать.
  • 0
    По поводу получения образцов. Сейчас собираю пул желающих, после чего выйду на связь с каждым оставившим заявку для уточнения деталей.
  • 0
    Неинвазивный способ определения сахара в крови был бы прорывом в такой технологии. Лизнул человек сенсор и определится сахар. Что то можно в этом направлении придумать?
  • 0
    Новости есть?
    • 0
      в рамках хабры нет ((
      • 0
        А в каких рамках есть?
        • 0
          в рамках обычной работы моих родителей )

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.