Как открытие пьезоэффекта перевернуло медицину и робототехнику
В конце XIX века братья Кюри обнаружили новый способ получения электрического заряда. Спустя время он пригодился в быту и медицине, а в наши дни с его помощью роботы обрели способность чувствовать предметы.
Физика сжатия
В 1880 году французские физики, братья Пьер и Жак Кюри, обнаружили необычное свойство кристаллов. Оказалось, что при сжатии некоторых из них — например, кварца — на поверхности возникает электрический заряд. Это явление назвали пьезоэффектом (от греческого piézō — «сжимать»).
Пьер и Жак Кюри — французские физики, работавшие в Париже в конце XIX века. Пьер позже стал известен научными открытиями в соавторстве с женой, Марией Кюри. Открытие пьезоэффекта братья сделали, когда Пьеру был 21 год, а Жаку — 24 года.
Принцип действия можно объяснить просто. Пока кристалл не деформирован, его заряды находятся в равновесии. Однако стоит согнуть или растянуть материал, как баланс между частицами нарушается. В результате на одной стороне возникает положительный заряд, а на другой — отрицательный. Чем сильнее будет такое давление на материал, тем выше окажется напряжение.
Существует и обратный пьезоэффект. Если подать на «отзывчивый» кристалл электрический импульс, атомы внутри снова слегка сместятся — и вещество начнет менять форму, вибрировать.
От зажигалки до УЗИ-аппарата
Самый простой пьезоэлектрический прибор — газовая зажигалка с кнопкой. Только ее нельзя путать с кремневой, где искру высекает колесико. У пьезозажигалки при нажатии на кнопку запускается пружинный механизм. «Молоточек» на конце пружины с силой бьет по кристаллическому элементу, который генерирует напряжение, — так рождается искра и загорается газ.
Обратный пьезоэффект особенно полезен там, где важна точность. Если подать электрический сигнал на кварцевый резонатор в часах, он начнет стабильно колебаться с частотой 32 768 Гц — словно метроном. Электроника отсчитывает этот ритм и раз в секунду подает импульс, который двигает стрелку или обновляет цифры на экране.
Особую роль пьезоэффект сыграл в медицинской диагностике. Внутри УЗИ-датчика находятся целые массивы пьезоэлементов. Импульс заставляет их быстро вибрировать и создавать ультразвуковые волны, которые проходят сквозь ткани организма, отражаются от внутренних органов и возвращаются обратно. Кристаллы в аппарате принимают отраженную волну и снова превращают ее в сигнал. Компьютер обрабатывает данные — так на экране появляется изображение.
Роботы и чувства
Следующий шаг пьезотехнологий — материалы, которые учатся имитировать работу нервной системы. Самый футуристический сценарий — искусственная кожа для роботов. С ее помощью умные машины смогут «ощущать» прикосновения и текстуру предметов.
В 2022 году ученые из Китая создали гибкий пьезоэлектрический датчик для роботизированной кисти. При сжатии или ударе пленка внутри деформируется и создает электрический сигнал. По его параметрам система определяет силу и направление воздействия. Несколько таких датчиков установили на пальцы робота — в результате он успешно распознавал прикосновения, удары и вибрации. В одном из экспериментов андроид удерживал бутылку, которую постепенно наполняли водой, а датчики фиксировали растущую нагрузку на кисть.
В будущем такие материалы подарят роботам чувство осязания, а людям — протезы, которые будут распознавать и передавать владельцу тактильные ощущения.
Хочется подробнее? Разобраться в деталях поможет ИИ-ПОИСК.
