Subiecte

Abstract

Magnetorecepția este capacitatea de a detecta și de a răspunde la câmpuri magnetice care permite anumitor organisme să se orienteze în raport cu câmpul magnetic al Pământului în scopuri de navigație. Dezvoltarea unei magnetorecepții artificiale, care se bazează exclusiv pe o interacțiune cu câmpurile geomagnetice și poate fi utilizată de oameni, s-a dovedit totuși provocatoare. Aici raportăm un sistem de busolă electronică, compatibil și robust din punct de vedere mecanic, care permite unei persoane să se orienteze în raport cu câmpul magnetic al Pământului. Busola este fabricată pe folii polimerice cu grosimea de 6 μm și găzduiește senzori de câmp magnetic pe baza efectului de magnetorezistență anizotropă. Răspunsul senzorului este adaptat pentru a fi liniar și, prin aranjarea senzorilor într-o configurație de punte Wheatstone, se atinge o sensibilitate maximă în jurul câmpului magnetic al Pământului. Abordarea noastră poate fi, de asemenea, utilizată pentru a crea dispozitive interactive pentru aplicații virtuale și de realitate augmentată și ilustrăm potențialul acesteia folosind busola electronică a pielii în controlul fără atingere al unităților virtuale într-un motor de joc.

magnetorecepție

Opțiuni de acces

Abonați-vă la Jurnal

Obțineți acces complet la jurnal timp de 1 an

doar 7,71 EUR pe număr

Toate prețurile sunt prețuri NET.
TVA va fi adăugat mai târziu în casă.

Închiriați sau cumpărați articol

Obțineți acces limitat la timp sau la articol complet pe ReadCube.

Toate prețurile sunt prețuri NET.

Disponibilitatea datelor

Datele care susțin comploturile din această lucrare și alte constatări ale acestui studiu sunt disponibile de la autorul relevant, la cerere rezonabilă.

Referințe

Someya, T. și colab. O matrice de senzori de presiune cu suprafață mare, cu tranzistoare organice cu efect de câmp pentru aplicații pe piele artificială. Proc. Natl Acad. Știință. Statele Unite ale Americii 101, 9966–9970 (2004).

Kim, D.-H. și colab. Electronică epidermică. Ştiinţă 333, 838–843 (2011).

Bauer, S. și colab. Articolul de 25 de ani: Un viitor moale: de la roboți și piele de senzori la recoltatoare de energie. Adv. Mater. 26, 149–162 (2014).

Lee, S. și colab. Un senzor de presiune transparent, insensibil la îndoire. Nat. Nanotehnologia. 11, 472–478 (2016).

Ren, X. și colab. O gamă de senzori de temperatură cu tranzistor organic cu matrice activă, cu putere redusă de operare și flexibilă. Adv. Mater. 28, 4832–4838 (2016).

Hines, L., Petersen, K., Lum, G. Z. & Sitti, M. Actuatoare moi pentru robotică la scară mică. Adv. Mater. 29, 1603483 (2017).

Carpi, F. și colab. Standarde pentru traductoare dielectrice din elastomer. Smart Mater. Struct. 24, 105025 (2015).

Gisby, T. A., O'Brien, B. M. & Anderson, I. A. Feedback de auto-detectare pentru actuatori din elastomer dielectric. Aplic. Fizic. Lett. 102, 193703 (2013).

Anderson, I. A., Gisby, T. A., McKay, T. G., O'Brien, B. M. și Calius, E. P. Mușchi artificiali din elastomer dielectric multifuncțional pentru mașini moi și inteligente. J. Appl. Fizic. 112, 041101 (2012).

Miriyev, A., Stack, K. & Lipson, H. Material moale pentru actuatoare moi. Nat. Comun. 8, 596 (2017).

Choi, M. K. și colab. Diode cuantice extrem de vii, extrem de transparente și ultra subțiri care emit lumină. Adv. Mater. 30, 1703279 (2018).

Someya, T., Bauer, S. și Kaltenbrunner, M. Electronică organică imperceptibilă. DOAMNA Bull. 42, 124-130 (2017).

Kim, J. și colab. Afișaj cu puncte cuantice ultra-subțire integrat cu elemente electronice purtabile. Adv. Mater. 29, 1700217 (2017).

Miyamoto, A. și colab. Electronică pe piele, fără permeabilitate, permeabilă la gaz, ușoară, extensibilă, cu nanometre. Nat. Nanotehnologia. 12, 907–913 (2017).

Lei, T. și colab. Polimer semiconductor biocompatibil și total dezintegrabil pentru electronice tranzitorii ultra-subțiri și ultra-ușoare. Proc. Natl Acad. Știință. Statele Unite ale Americii 114, 5107–5112 (2017).

Nawrocki, R. A., Matsuhisa, N., Yokota, T. & Someya, T. 300-nm imperceptibil, ultraflexibil și biocompatibil se potrivește cu e-skin cu senzori tactili și tranzistori organici. Adv. Electron. Mater. 2, 1500452 (2016).

Kaltenbrunner, M. și colab. Celule solare perovskite flexibile, cu putere mare pe greutate, cu oxid de crom - contacte metalice pentru o stabilitate îmbunătățită în aer. Nat. Mater. 14, 1032-1039 (2015).

Kaltenbrunner, M. și colab. Un design ultra-ușor pentru electronice din plastic imperceptibile. Natură 499, 458–463 (2013).

Sisteme de urmărire electromagnetică. Polhemus https://polhemus.com/applications/electromagnetics/ (accesat la 11 iunie 2018).

3DCoilCube - Senzori electromagnetici de urmărire a mișcării VR. Premo https://3dcoil.grupopremo.com/ (accesat la 11 iunie 2018).

OMMO. OMMO https://www.ommo.co/ (accesat la 11 iunie 2018).

Călugări, K. Uită de tehnologia purtabilă, implanturile încorporabile sunt deja aici. CNN (9 aprilie 2014); https://go.nature.com/2AnXjlf

North Paw. Sensebridge https://sensebridge.net/projects/northpaw/ (accesat la 11 iunie 2018).

Biomagneti. Lucruri periculoase https://dangerousthings.com/biomagnets/ (accesat la 11 iunie 2018).

Meltzer, M. și colab. Magnetoelectronică imperceptibilă. Nat. Comun. 6, 6080 (2015).

Cañón Bermúdez, G. S. și colab. E-skin-uri magnetosensibile cu percepție direcțională pentru realitatea augmentată. Știință. Adv. 4, eaao2623 (2018).

Melzer, M. și colab. Senzori portabili de câmp magnetic pentru electronică flexibilă. Adv. Mater. 27, 1274–1280 (2015).

Alfadhel, A. & Kosel, J. Senzor tactil magnetic nanocompozit cilia. Adv. Mater. 27, 7888–7892 (2015).

Münzenrieder, N. și colab. Sensorice magnetice condiționate la fața locului, complet flexibile. Adv. Electron. Mater. 2, 1600188 (2016).

Makarov, D., Melzer, M., Karnaushenko, D. & Schmidt, O. G. Magnetoelectronică formabilă. Aplic. Fizic. Rev. 3, 011101 (2016).

Melzer, M. și colab. Magnetoelectronică extensibilă. Nano. Lett. 11, 2522–2526 (2011).

Parkin, S. S. P. Senzori flexibili de magnetorezistență gigant. Aplic. Fizic. Lett. 69, 3092–3094 (1996).

Uhrmann, T. și colab. Senzor magnetostrictiv GMR pe substraturi flexibile din polimidă. J. Magn. Magn. Mater. 307, 209–211 (2006).

Chen, Y. și colab. Către magnetoelectronică flexibilă: GMR îmbunătățit cu tampon și reglabil mecanic al multistratelor Co/Cu pe substraturi din plastic. Adv. Mater. 20, 3224–3228 (2008).

Pérez, N. și colab. Senzori magnetorezistenți gigant de înaltă performanță pe membrane flexibile de Si. Aplic. Fizic. Lett. 106, 153501 (2015).

Barraud, C. și colab. Magnetorezistența în joncțiunile magnetice ale tunelului crescute pe substraturi organice flexibile. Aplic. Fizic. Lett. 96, 072502 (2010).

Bedoya-Pinto, A., Donolato, M., Gobbi, M., Hueso, L. E. și Vavassori, P. Dispozitive spintronice flexibile pe Kapton. Aplic. Fizic. Lett. 104, 062412 (2014).

Griesbach, T., Wurz, M. C. & Rissing, L. Proiectarea, fabricarea și testarea unui microsenzor de câmp magnetic modular pe o folie de polimer flexibil. IEEE Trans. Magn. 48, 3843–3846 (2012).

Wang, Z. și colab. Senzor magnetic flexibil foarte sensibil bazat pe efectul de magnetorezistență anizotropă. Adv. Mater. 28, 9370–9377 (2016).

Li, B., Kavaldzhiev, M. N. și Kosel, J. Senzor flexibil de magnetoimpedanță. J. Magn. Magn. Mater. 378, 499–505 (2015).

Wang, Z., Shaygan, M., Otto, M., Schall, D. & Neumaier, D. Senzori flexibili Hall pe baza de grafen. Nanoscală 8, 7683–7687 (2016).

Heidari, H., Bonizzoni, E., Gatti, U., Maloberti, F. & Dahiya, R. CMOS senzori magnetici vertical Hall pe substrat flexibil. IEEE Sens. . 16, 8736–8743 (2016).

Monch, I. J. și colab. Senzor flexibil Hall pentru controlul levitației magnetice bazat pe flux. IEEE Trans. Magn. 51, 4004004 (2015).

Melzer, M. și colab. Transfer direct al dispozitivelor cu senzori magnetici pe suporturi elastomerice pentru electronice extensibile. Adv. Mater. 27, 1333–1338 (2015).

Melzer, M., Lin, G., Makarov, D. & Schmidt, O. G. Supape de rotire extensibile pe membranele elastomerice prin fracturi periodice predeterminate și riduri aleatorii. Adv. Mater. 24, 6468–6472 (2012).

Li, H. și colab. Supapă de centrifugare extensibilă cu sensibilitate stabilă a câmpului magnetic prin riduri periodice cu model de panglică. ACS Nano 10, 4403-4409 (2016).

Liu, Y.-W., Zhan, Q.-F. & Li, R.-W. Fabricarea, proprietățile și aplicațiile filmelor magnetice flexibile. Bărbie. Fizic. B 22, 127502 (2013).

Jogschies, L. și colab. Dezvoltări recente ale senzorilor magnetorezistenți pentru aplicații industriale. Senzori 15, 28665–28689 (2015).

Suo, Z., Ma, E. Y., Gleskova, H. & Wagner, S. Mecanica electronică film-pe-folie rulabilă și pliabilă. Aplic. Fizic. Lett. 74, 1177–1179 (1999).

Rottmann, F. & Dettmann, F. Noi senzori magnetorezistenți: inginerie și aplicații. Sens. Actuatoare A: Phys. 27, 763–766 (1991).

Caruso, M. J., Bratland, T., Smith, C. H. și Schneider, R. O nouă perspectivă asupra detectării câmpului magnetic (Honeywell, 1998).

Senzori magnetici cu 1 și 2 axe HMC1001/1002/1021/1022 (Honeywell, 2008); https://go.nature.com/2Jawa8l

Panda3D. Universitatea Carnegie Mellon https://www.panda3d.org/ (accesat la 26 mai 2018).

Wiltschko, W. & Wiltschko, R. Orientarea magnetică și magnetorecepția la păsări și alte animale. J. Comp. Fiziol. A 191, 675–693 (2005).

Mohamadabadi, K. Magnetometru cu magnetorezistență anizotropă pentru sisteme de navigație inerțială. Teză de doctorat, Ecole Polytechnique X (2013).

Li, X., Ding, G., Ando, ​​T., Shikida, M. și Sato, K. Caracterizarea micromecanică a filmelor cu permaliaj galvanizat pentru MEMS. Microsist. Tehnologie. 14, 131-134 (2007).

Jeong, C. K. și colab. Sistem auto-alimentat complet flexibil de emisie de lumină, activat de o mașină de recoltat flexibilă de energie. Mediu energetic. Știință. 7, 4035–4043 (2014).

Mulțumiri

Recunoaștem discuții perspicace cu T. Kosub și J. Ge (ambii din HZDR). Mulțumim lui B. Scheumann, R. Kaltofen și J.I. Mönch (toate HZDR) pentru depunerea stivelor de strat metalic. Sprijinul acordat de facilitățile de caracterizare structurală Rossendorf de la Ion Beam Center (IBC) de la HZDR este foarte apreciat. Această lucrare este finanțată parțial prin intermediul Consiliului European pentru Cercetare în cadrul celui de-al șaptelea Program-cadru al Uniunii Europene (PC7/2007-2013)/acordul de finanțare nr. 306277 și Fundația Germană de Cercetare (DFG) Grant MA 5144/9-1.

Informatia autorului

Afilieri

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e.V., Institutul de Cercetare a Fizicii și Materialelor Ion Beam, Dresda, Germania

Gilbert Santiago Canyon Bermudez, Hagen Fuchs, Lothar Bischoff, Jürgen Fassbender și Denys Makarov

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Contribuții

G.S.C.B. a proiectat și a fabricat senzorii și a condus experimentele. G.S.C.B și D.M. a analizat datele și a pregătit cifre cu contribuții ale tuturor autorilor. H.F. a scris scripturile pentru a interfața motorul jocului cu datele obținute. LIVRE. a efectuat caracterizarea structurală a probelor. G.S.C.B. și D.M. a scris manuscrisul cu comentariile tuturor autorilor. Toți coautorii au editat manuscrisul. D.M. și J.F. a conceput proiectul.

Autori corespondenți

Declarații de etică

Interese concurente

Autorii nu declară interese concurente.

Informatii suplimentare

Nota editorului: Springer Nature rămâne neutru în ceea ce privește revendicările jurisdicționale din hărțile publicate și afilierile instituționale.

Informatie suplimentara

Informatie suplimentara

Figurile suplimentare 1-10

Video suplimentar 1

Busola e-skin este montată pe un suport plat pentru probe. La rotirea suportului, tensiunea de ieșire detectată pe ecranul computerului atinge un nivel minim atunci când axa senzorului (semnalizată de o săgeată neagră) se aliniază cu orientarea câmpului geomagnetic. O referință a busolei din apropiere verifică orientarea nordului magnetic.

Video suplimentar 2

Busola e-skin este montată pe un suport de probă motorizat acționat de un motor pas cu pas, care rotește busola în sens invers acelor de ceasornic de-a lungul locației nordului magnetic pornind de la trei poziții inițiale diferite. Aceste poziții de pornire sunt definite în mod arbitrar ca având decalaje 0, 90 și –90 ° cu 0 ° indicând cazul în care axa senzorului (săgeata neagră) indică ecranul computerului (aproximativ –108 ° față de nordul magnetic). Maximele din citirea semnalului, corespunzătoare alinierii axei senzorului cu câmpul geomagnetic, apar întotdeauna în aceeași poziție unghiulară, indiferent de decalajul inițial. Aceasta indică natura absolută a citirii orientării câmpului geomagnetic folosind busola e-skin.

Video suplimentar 3

În mod similar cu videoclipul suplimentar 2, busola e-skin este rotită de un motor pas cu pas. Cu toate acestea, în acest caz, se generează un câmp magnetic extern orientat spre dreapta cu o bobină Helmholtz (puterea câmpului este de 43 μT; orientarea față de nordul magnetic este de 163 ± 1 °). Datorită acestei perturbări magnetice, maximele detectate își schimbă pozițiile unghiulare și se întâmplă acum la 72 ± 1 ° față de nordul magnetic. Din magnitudinea semnalului măsurat și din poziția unghiulară a extremelor este posibilă reconstituirea magnitudinii și orientării câmpului geomagnetic prin scădere vectorială. Măsurarea cu bobina OPRIT dă din nou aceeași amplitudine și orientare ca și cele prezentate în video suplimentar 2 și coroborează câmpul reconstituit (Figura suplimentară 5).

Video suplimentar 4

O persoană poartă busola e-skin pe deget și se rotește în jurul său în timp ce arată. Datele de ieșire ale senzorului sunt colectate de un computer din apropiere și vizualizate ca o urmă și o busolă virtuală pe ecran. Pe măsură ce persoana indică spre nord magnetic (sud), urmele ating maximum (minim) și busola virtuală arată nord (sud). Două camere înregistrează experimentul filmând simultan ecranul computerului și mișcarea întregului corp al persoanei.

Video suplimentar 5

Busola e-skin este atașată pe degetul mijlociu al unei persoane. Pe măsură ce persoana își mișcă mâna, axa busolei își schimbă orientarea relativă către câmpul geomagnetic. Astfel, se produce o modificare a tensiunii de ieșire, care este legată de poziția curentă a mâinii. Semnalul de tensiune este achiziționat de un computer, unde un panda virtual este programat să avanseze la o viteză constantă. Pozițiile particulare ale mâinilor sunt codificate în poziții unghiulare specifice din computer, instruind panda virtuală în ce direcție să se miște. Secvențele mișcărilor mâinilor pot controla mișcarea panda după bunul plac și pot defini traiectorii în mediul virtual.

Video suplimentar 6

Un senzor de meandru AMR este fixat pe o targă mecanică, unde este îndoit de la starea sa plată până la o rază de curbură de 1 mm. Rezistența senzorului este înregistrată continuu în timpul procesului de îndoire. Un magnet extern, atașat la o tijă, este plasat în imediata apropiere a senzorului în așa fel încât câmpul magnetic să fie paralel cu planul senzorului. După îndepărtarea stimulului magnetic extern, rezistența scade înapoi la nivelul său inițial.