Новая технология, основанная на композитах из графена и жидкого металла, позволяет роботам определять не только силу давления, оказываемого на объект, но и направление приложенных сил, скольжение объекта и даже шероховатость поверхности. Что особенно важно, всё это достигается в масштабе, достаточно малом, чтобы конкурировать с пространственным разрешением человеческих пальцев.
Гибкие тактильные датчики необходимы для самых разных применений, от передовых протезов и носимых тактильных устройств до роботов с высокоточными руками. Человеческие пальцы используют различные типы механорецепторов для одновременного восприятия давления, сил сдвига, вибраций и текстуры. Воспроизведение такого уровня многомерного тактильного восприятия в искусственных системах является серьёзной проблемой, особенно в устройствах, которые необходимо миниатюризировать и сделать прочными для практического использования.

Преодоление ограничений существующих тактильных датчиков
: «Многие существующие многомерные тактильные датчики слишком громоздки, хрупки или сложны в изготовлении, или они не могут точно различать нормальные и тангенциальные силы», — объяснил профессор Тауфик Хасан из Кембриджского центра графена и ведущий автор исследования. «Это было серьезным препятствием на пути к достижению действительно точной роботизированной манипуляции».
Для преодоления этих ограничений команда разработала новый класс анизотропных пористых эластомеров, объединенных с графеном.

Материал на основе графена и жидкого металла, созданный по образцу человеческой кожи.
Эти мягкие, гибкие композиты сочетают в себе листы графена, деформируемые микрокапли жидкого металла и магнитно ориентированные частицы никеля, внедренные в пористую кремниевую матрицу.
Каждый компонент играет ключевую роль:
графен создает гибкие проводящие пути.
Жидкий металл действует как деформируемый проводящий узел.
Частицы никеля, ориентированные магнитным полем, обеспечивают направленную чувствительность материала.
Пористая структура дополнительно повышает чувствительность, позволяя материалу легко деформироваться под минимальными усилиями.
Вдохновленные микроструктурами человеческой кожи, исследователи сформировали из материала микроскопические пирамиды, некоторые из которых имеют размер всего 200 микрометров. Эти пирамиды концентрируют напряжение на своих вершинах, позволяя датчику обнаруживать чрезвычайно малые силы, сохраняя при этом широкий и высоколинейный диапазон измерений.

Высокая чувствительность и истинное трехмерное определение силы.
В результате получился тактильный датчик, способный восстанавливать полный вектор силы в трех измерениях, что обеспечивает многомерное тактильное восприятие с исключительной производительностью:
чувствительность до 110 кПа⁻¹,
линейный диапазон 500 кПа,
погрешность направления силы менее 2 градусов и
предел обнаружения менее одного микроньютона — достаточно для обнаружения песчинки.
По сравнению с существующими гибкими трехмерными датчиками силы, новое устройство улучшает как размеры, так и пределы обнаружения примерно на порядок.
Что наиболее важно, датчик может различать сдвиговые и нормальные силы, что позволяет ему обнаруживать начало скольжения объекта. Измеряя сигналы с четырех электродов, расположенных под каждой пирамидой, система может математически восстанавливать полный трехмерный вектор силы в реальном времени.

От тонких захватов до микророботов и протезов:
в ходе практических демонстраций команда интегрировала датчики в роботизированные захваты. Роботы смогли захватывать хрупкие объекты, такие как очень тонкие бумажные трубки, не раздавливая их. В отличие от традиционных датчиков, требующих предварительной информации об объектах, новая система адаптируется в режиме реального времени, обнаруживая проскальзывание.
На еще меньших масштабах массивы микросенсоров смогли определить массу, геометрию и плотность материала крошечных металлических сфер, анализируя трехмерное распределение силы.

Это открывает возможности для применения в следующих областях:
микроманипуляция,
малоинвазивная хирургия
, микророботика,
где традиционные датчики силы слишком велики.

Влияние на робототехнику и протезирование будущего:
Потенциальное влияние огромно, поскольку робототехника продолжает расширяться в промышленности и обществе. По данным Международной федерации робототехники, мировой рынок промышленной робототехники оценивается примерно в 12,5 миллиардов фунтов стерлингов, и одной из ключевых тенденций на 2026 год является растущее использование роботов для решения проблемы нехватки рабочей силы.
Достижения в области тактильных датчиков, подобных этому, могут позволить роботам взаимодействовать с объектами более безопасно и интеллектуально в реальных условиях.
Помимо робототехники, эта технология также может преобразовать область передовых протезов. Современные искусственные конечности все чаще полагаются на тактильную обратную связь, чтобы обеспечить пользователям ощущение прикосновения. Миниатюрные, высокочувствительные 3D-датчики могут обеспечить более естественное взаимодействие с объектами, улучшая управление, безопасность и уверенность пользователя.

«Наш подход демонстрирует, что для достижения высокоточного трехмерного тактильного восприятия не требуются громоздкие механические конструкции и сложные оптические системы», — пояснил доктор Голинь Юн, первый автор исследования. «Сочетая интеллектуальные материалы со структурами, созданными по образцу кожи, мы достигли характеристик, удивительно близких к человеческому осязанию».
В перспективе исследователи полагают, что датчики можно будет еще больше миниатюризировать, возможно, до размеров менее 50 микрометров, приближаясь к плотности механорецепторов человеческой кожи. В будущих версиях также можно будет интегрировать датчики температуры и влажности, двигаясь к созданию полностью мультимодальной искусственной кожи.
По мере того, как роботы переходят из контролируемых промышленных сред в дома, больницы и непредсказуемые условия, подобные достижения в области тактильного восприятия могут стать революционными, позволяя машинам не только видеть и действовать, но и чувствовать.

Ссылки:

(Открытый доступ) https://www.nature.com/articles/s41563-026-02508-7

https://ifr.org/ifr-press-releases/news/top-5-global-robotics-trends-2026

Источник: Кембриджский университет