En ny triboelektrisk auditiv sensor til social robotik og høreapparater

Forskere fra Chongqing Universitet, i Kina, har for nylig udviklet en selvdrevet triboelektrisk auditiv sensor (TAS), der kunne bruges til at bygge elektroniske auditive systemer til eksterne høreapparater i intelligente robotapplikationer. Deres seneste undersøgelse, udgivet i Videnskab robotik , kunne informere skabelsen af ​​en ny generation af auditive systemer, løse nogle af de vigtigste udfordringer inden for social robotteknologi.

Det auditive system er det mest ligetil og effektive middel til kommunikation mellem mennesker og robotter. Ideelt set robotiske auditive systemer skal give robotter mulighed for at lytte til menneskelige instruktioner, samtidig med at de opfatter deres vokale intonationer, for at svare i overensstemmelse hermed.

Et af hovedformålene med social robotik er derfor at designe auditive sensorer, der er kraftfulde og følsomme i et bredt frekvensområde. Disse applikationer kan også gavne de 10 procent af den globale befolkning, der har hørenedsættelse.

"Almindeligvis, mennesker med nedsat hørelse mister altid en eller flere specifikke frekvensområder, " fortalte forskerne, der udførte undersøgelsen, til Tech Xplore. "Formålet med eksterne høreapparater er at forstærke de specifikke svækkede lydområder til det hørbare niveau for disse mennesker. Derfor, Brugen af ​​auditive sensorer med frekvensselektivitet som høreapparat til at genoprette nedsat hørelse ville forbedre menneske-robot sociale interaktioner."

En yderligere udfordring inden for robotteknologi er relateret til kraft og energi. For at kunne designe auditive sensorer med bredbåndsfrekvensrespons og frekvensselektivitet, forskere bør bruge traditionelle akustiske sensorer med præcise signalbehandlingskredsløb, som hæver strømforbruget og reducerer arbejdsperioden.

"Den konventionelle måde at bygge selvdrevne akustiske sensorer på er baseret på den piezoelektriske effekt og trapezformede enhedsarkitektur, " forklarede forskerne. "Men, piezoelektriske sensorer har et ret lavt udgangssignal og et relativt højt frekvensresponsområde i sammenligning med frekvensområdet for den menneskelige stemme. Ud over, multisignalkanalerne, komplicerede fremstillingsprocesser og piezoelektriske materialer forbedrer deres omkostninger væsentligt."

For at løse disse problemer, forskerne designet en cirkulær type, enkeltkanal, og selvdrevet auditiv sensor (TAS), der er let at fremstille, baseret på triboelektrisk nanogeneratorteknologi. Nanogeneratorer er en type teknologi, der omdanner mekanisk og termisk energi til elektricitet.

Der er tre hovedtyper af nanogeneratorer:piezoelektriske, triboelektrisk og pyroelektrisk. Både piezoelektriske og triboelektriske generatorer høster mekanisk energi for at skabe elektricitet, men mens førstnævnte gør dette gennem et nanostruktureret piezoelektrisk materiale, triboelektriske opnår det via en kombination af triboelektrificering og elektrostatiske induktionseffekter.

"Højdepunkterne ved vores TAS-enhed er den selvdrevne sensing og skræddersyede spektrumegenskaber, " forklarede forskerne. "TAS har en vibrationsmembran dækket af et ledende lag og et bundledende lag dækket af et tribo-materiale lag. Under akustisk bølge, membranvibrationen forårsager kontakt mellem membranen og tribo-materialet, skabe afgiftsfordeling. På grund af den elektrostatiske induktionseffekt, vibrationen ville generere signaloutput gennem to ledende lag. For hver fast membran, der ville være en specifik vibrationskarakter. På grund af TAS' enkle struktur, vi kan designe membranens grænsetilstand for at realisere det brugerdefinerbare spektrum, som vi har brug for."

Når testet, sensoren udviklet af forskerne producerede et højt udgangssignal, bordbånds frekvensrespons, og frekvensselektivitetsegenskaber i det menneskelige stemmeområde. Deres sensor er også relativt nem at bygge og giver et tilpasseligt spektrum i en enkelt kanal enhed.
"Det høje udgangssignal og den enkelte kanal kan i vid udstrækning reducere signalbehandlingen, dermed reducere strømforbruget, " sagde forskerne. "De anvendte materialer og dens nemme fremstilling forbedrer muligheden for at designe gennemsigtige auditive systemer og en bred vifte af andre enheder. Vi tror, ​​at denne teknik kunne give et omkostningsøkonomisk og energieffektivt auditivt system til både robot- og høreapparatapplikationer."

Arbejdet i dette team af forskere fremhæver det betydelige potentiale i triboelektrisk nanogeneratorteknologi til at imødegå udfordringer inden for social robotteknologi og til at bygge mere effektive høreapparater. De planlægger nu udviklingen af ​​nye sensorer til en række menneske-robot-interaktioner, mens de skubber deres nyligt udviklede teknologi mod industrialisering.

© 2018 Tech Xplore