Научный дайджест №13: о «волшебном пальце» и графеновых перспективах

⇡#1. «Волшебный палец» как альтернативный сенсорный интерфейс

Устройства потребительской электроники постоянно совершенствуются — растет производительность, время автономной работы, уменьшаются габаритные размеры. Не менее важную роль играет и развитие технологий ввода информации. Чем удобнее пользоваться планшетом, смартфоном, телевизором или любым другим бытовым прибором, тем больше у производителя появляется шансов на то, что на его продукт обратят внимание.

1.1. Magic Finger — манипулятор-напёрсток

С одной стороны, совершенствуются ставшие уже традиционными способы ввода информации, с другой — ведутся поиски технологий с принципиально новыми особенностями. В этом направлении работают и канадские исследователи из Университета Альберты, Университета Торонто и компании Autodesk Research. На мероприятии ACM Symposium они показали свою разработку под названием Magic Finger («волшебный палец»). Устройство — как наперсток — надевается на кончик пальца пользователя (рис. 1).

Рис. 1. Устройство Magic Finger

В отличие от традиционных сенсорных технологий, которые предусматривают касание стилусом или пальцем специальной чувствительной поверхности, Magic Finger позволяет использовать в качестве сенсорной площадки любую поверхность — например стены, мебель, даже участки тела пользователя. Как признаются сами исследователи, на создание Magic Finger их вдохновили проекты в области так называемого «всегда доступного ввода» (always-available input), в частности разработка мускульно-компьютерного интерфейса с участием Microsoft Research. Подробнее с этой технологией софтверного гиганта, которая уже, кстати, оформлена в виде патентной заявки, вы можете ознакомиться в статье Enabling Always-Available Input with Muscle-Computer Interfaces.

Как и в решениях некоторых других исследователей, «волшебный палец» умеет чувствовать момент касания и перемещение пальца относительно поверхности. Особенностью Magic Finger является способность определять текстуру объекта, к которому прикасается пользователь, и распознавать этот объект. Таким образом, в зависимости от поверхности можно реализовать запуск соответствующих действий, привязав это к контексту.

В своей публикации Magic Finger: Always-Available Input through Finger Instrumentation канадские ученые провели исследование возможных вариантов аппаратной и программной реализации своей технологии, оценку уровня чувствительности к текстурам, а также определили множество приложений и взаимодействий, которые позволяет реализовать их прибор.

1.2. Реализация

Magic Finger включает два оптических сенсора: один — с низким разрешением, он отслеживает движения пальца, а второй — с высоким разрешением, он способен распознавать детали поверхности. В качестве форм-фактора выбрана форма в виде надеваемого на кончик пальца напёрстка, но возможны также и другие варианты исполнения (рис 2.)

Рис. 2. Возможные форм-факторы Magic Finger

Для эмуляции традиционного касания устройство должно уметь чувствовать передвижения в плоскости X-Y. В качестве аппаратной основы (рис. 3) для реализации этой возможности был выбран обычный оптический сенсор ADNS 2620, используемый в компьютерных мышках. Он компактный, к тому же может работать с высокой точностью на различных поверхностях.

Рис. 3. Аппаратная реализация Magic Finger

Исследователи выделяют три области распознавания: none (никаких знаний об объекте), class (распознавание типа объекта, к которому прикасаются, например стол или смартфон) и instance (распознавание конкретного объекта, например твой стол или мой стол). Распознавание объекта в области class или instance реализовано с помощью камеры высокого разрешения (175x175 пикселей) AWAIBA NanEye micro RGB и алгоритмов распознавания текстур. Чтобы камера и оптический сенсор функционировали правильно, им необходим внешний источник для освещения поверхности. С этой целью был выбран маленький светодиод, который освещает поверхность тем сильнее, чем ближе Magic Finger к ней находится. Устройство подключается к компьютеру HP TouchSmart Tm2 через специальную плату, которая облегчает коммуникацию с ПК. Для определения материала поверхности использовалась техника Local Binary Patterns, которая выделяла из текстуры 10 микроструктур и строила на их основе гистограмму, уникально определяющую данную текстуру. При этом текстура может быть обычной (стол, одежда) или искусственной, которая специально создана для работы с Magic Finger и реализации специфических функций. В своём эксперименте ученые исследовали 22 обычные текстуры и некоторые искусственные текстуры (рис. 4).

Рис. 4. Распознавание текстур «волшебным пальцем»

1.3. Приложения

Пора переходить к самому интересному — сценариям использования «волшебного пальца». Как отмечают разработчики, с помощью Magic Finger можно удалённо управлять мобильными устройствами. Например, если пользователь не хочет отвечать на звонок, когда смартфон находится в сумке, ему достаточно просто легонько ударить пальцем по этой сумке — тогда либо будет передан сигнал «занято», либо отключен звук телефона. Исследуемые в эксперименте взаимодействия изображены на рисунке 5.

Рис. 5. Примеры взаимодействий с Magic Finger

Так как Magic Finger распознаёт объекты, прикосновение к разным поверхностям может вызывать различные команды. Для примера ученые реализовали функцию отправки заранее записанного SMS-сообщения конкретному пользователю при касании смартфона. Кроме того, если прикоснуться к логотипу на рубашке, запускалось приложение Windows Voice. Кожа также распознаётся «волшебным пальцем». Это позволяет использовать её в качестве интерфейса ввода без необходимости установки дополнительных сенсоров. Например, жест Am I late?, который является прикосновением к запястью, заставляет Magic Finger определить время ближайшей встречи и, если пользователь опаздывает, светодиод начинает мигать (в случае установки маленького ЖК-экранчика, информацию можно выводить на него). Касание большого пальца используется для прокрутки слайдов презентации, что позволяет обойтись без беспроводной указки.

Отдельно стоит отметить «матрицу клавиш», которая относится к искусственным текстурам и позволяет использовать распечатанный на принтере лист со специальным рисунком в качестве клавиатуры. Интересной особенностью Magic Finger является его способность запомнить пользователя и его предпочтения. При входе в комнату пользователь касается нарисованной на стенке «кнопки» и запускаются его любимые музыкальные композиции.

Забавной кажется функция «Перископ», которая уже не связана с управлением мобильными устройствами. Часто люди используют пальцы для поиска предметов, которые находятся вне зоны зрения. Например, карандаш упал в труднодоступное место, и пользователь пытается достать его рукой. Благодаря камере, встроенной в Magic Finger, можно организовать передачу видеопотока на экран смартфона или планшета, что позволяет облегчить поиск предмета. Эта функция может использоваться и в других, более полезных целях. Всё, что подскажет ваша фантазия!

В завершение этой заметки хочется сказать, что Magic Finger пока является всего лишь концептуальным устройством, и для реализации всех его потенциальных возможностей предстоит ещё немало поработать. В частности, одной из проблем разработчики называют необходимость организовать в миниатюрном форм-факторе беспроводное соединение, например, по Bluetooth, а также обеспечение устройства автономным питанием. Но самое главное будет зависеть от реализации программной части, точности работы и интуитивной понятности для пользователя.

⇡#2. Использование графена для прозрачных электродов

С момента открытия графен притягивает внимание множества исследователей. Как мембрана толщиной в один атом, этот материал отличается высокой прозрачностью (97,3%) в большом диапазоне, от видимого спектра до инфракрасных волн. Кроме того, графен является одним из самых прочных материалов и благодаря своим прекрасным механическим свойствам в сочетании с прозрачностью считается перспективным кандидатом для широкого применения в гибкой электронике, оптоэлектронике, фотонике.

Использование графена в качестве прозрачного электрода для солнечных ячеек, OLED, сенсорных панелей и дисплеев напрашивается само собой. Но здесь есть несколько преград, которые пока не позволяют применить этот материал в коммерческих продуктах. Ключевой проблемой является снижение поверхностного сопротивления слоя графена до значений, сравнимых с показателями ITO-плёнок (indium tin oxide, окись индия-олова), широко применяемых в современных устройствах. Они отличаются сочетанием высокой прозрачности (>90%) и низкого сопротивления (<100 Ом).

Учеными были разработаны разные методы снижения поверхностного сопротивления графена, такие как электростатическое легирование, но они существенно усложняют производственный процесс, не практичны и требуют обеспечения постоянного питания для сохранения количества добавок на необходимом уровне. Химическое легирование позволяет ощутимо снизить сопротивление, но его механизм пока плохо изучен. Кроме того, адсорбция влаги и других химических молекул после химического легирования приводит к увеличению сопротивления слоя графена на 40% всего за несколько дней. Следовательно, чтобы сохранить высокую проводимость в сочетании с высокой прозрачностью, требуется тщательный подбор тонкого полимерного покрытия. При этом требуется еще и разработать новые методы снижения поверхностного сопротивления графена, которые бы отличались нулевым энергопотреблением и простым производственным процессом.

В последних работах ученых было показано, что сегнетоэлектрические полимеры могут обеспечить качественное легирование при отсутствии необходимости поддерживать напряжение питания. Примером такого типа полимеров является соединение поли (винилиден флюорид-ко-трифлуороэтилен) (P(VDF-TrFE)), успешно используемое для создания прототипов энергонезависимой памяти на основе графена. Одним из достоинств тонких плёнок P(VDF-TrFE) является их высокая прозрачность (>98%) в видимом спектре. Теоретически предполагается, что сочетание плёнки P(VDF-TrFE) с графеном в больших масштабах является идеальным решением для создания прозрачных электродов. Но практических исследований в этом направлении пока никто не проводил.

Заполнить эту нишу решила группа ученых из университетов Южной Кореи и Сингапура. Результаты их исследований опубликованы в работе Graphene-Ferroelectric Hybrid Structure for Flexible Transparent Electrodes. Ученым удалось разработать метод создания прозрачных графеново-ферроэлектрических проводников (GFeTCs, Graphene-Ferroelectric Transparent Conductors).

Рис. 6. Схематическое изображение процесса создания GFe-электрода

Их поверхностное сопротивление составляет всего 120 Ом при нормальных условиях. При этом прозрачность остаётся высокой — более 95%. Результаты экспериментов приведены на рисунках ниже.

Рис. 7. Созданный электрод, зависимости прозрачности и сопротивления

Рис. 8. Зависимости сопротивления от температуры и плотности заряда

Рис. 9. Легирование P(VDF-TrFE) в графен

⇡#3. Суперконденсаторы с графеновыми электродами

Графен может использоваться не только в прозрачной электронике, но и во многих других приложениях. Примером этому служит недавнее исследование канадских ученых, в котором они показали возможность существенно улучшить характеристики суперкондесаторов с помощью нового материала на основе графена. Данный материал получил название «губкообразный графен» (sponge-like graphene) из-за своей трёхмерной макропористой структуры (рис. 10).

Рис. 10. Микрография «губкообразного графена»

Суперконденсаторы часто рассматривают как дополнение к традиционным аккумуляторам в электромобилях. Они уступают аккумуляторам по плотности энергии, но зато в несколько раз быстрее заряжаются и разряжаются, к тому же отличаются очень высокой удельной мощностью. Новые электроды из графена позволяют увеличить их удельную мощность ещё больше — до 48 тысяч Вт/кг. Но плотность энергии пока остаётся низкой по сравнению с литиево-ионными аккумуляторами — 7,1 Вт-ч/кг.

Суперконденсаторы очень быстро разряжаются, это не позволяет их использовать вместо аккумуляторов — электромобиль с такой установкой далеко не уедет. А вот для ускорения и быстрого старта такой прибор может оказаться полезен.

«Губкообразный графен» получен путём синтеза многостенных углеродных нанотрубок и молекул фталоцианина кобальта (рис. 11).

Рис. 11. Процесс синтеза «губкообразного графена»

Согласно проведённым экспериментам, электроды из этого материала сохраняют стойкость в двух основных типах электролитов, используемых в суперконденсаторах (жидком ионном и водном). Важно отметить, что новые электроды показали хорошие характеристики при комнатной температуре, тогда как большинство электродов для суперконденсаторов могут нормально функционировать только при температурах от 60 градусов Цельсия и выше.

Эксперименты проводились учеными в основном на базе ранее полученных теоретических наработок. В дальнейшем исследователи хотят синтезировать графен в новом материале с меньшей толщиной, что позволит увеличить плотность энергии в несколько раз. Подробнее о работе можно прочитать в публикации Electrochemical Supercapacitor Electrodes from Sponge-like Graphene Nanoarchitectures with Ultrahigh Power Density.

⇡#4. «Графеновый роадмап»

Раз уж мы затронули тему использования графена в электронике, то нельзя не упомянуть недавнюю публикацию одного из отцов этого интересного углеродного материала, нобелевского лауреата Константина Новосёлова — A roadmap for graphene. В данной работе он совместно со своими коллегами раскрывает перспективы использования графена в ближайшем и не очень будущем.

Одной из важных сфер применения графена называются сенсорные экраны таких устройств как Apple iPad, в которых используются плёнки из окиси индия-олова. Выше мы уже привели пример исследования в данном направлении. Использование графена вместо ITO-плёнок открывает путь к созданию гибких устройств. По оценкам Новосёлова и его коллег, первые сенсорные продукты на основе графена появятся на рынке уже через 3-5 лет.

Вторая сфера применения графена — в дисплеях на основе электронных чернил. Первый прототип такого экрана появится примерно в 2015 году.

Рис. 12. Графеновый роадмап

Во многих приложениях графен появится только в далёком будущем. Фотодетекторы, высокоскоростные беспроводные коммуникации и терагерцовые генераторы на основе этого углеродного материала будут разработаны не ранее 2020 года. Что интересно, несмотря на большое количество исследований по замене графеном кремния в электронике, ждать этого великого события придётся ещё очень долго — как минимум до 2030 года. То же касается и использования графена для доставки локально действующих лекарственных (в том числе, противораковых) средств. Однако нельзя сказать, что это очень уж долгий срок — ведь графен был получен менее 10 лет назад! Наука движется вперед все быстрее, возможно, уже в следующих выпусках нашего дайджеста мы сможем рассказать вам о применении графена что-нибудь новенькое. До встречи через неделю!