En elegant løsning på den bløde sanseudfordring

Fra varehuse til hospitaler, bløde robotter bruges forskellige steder til at hjælpe mennesker med at flytte genstande, behandling af patienter, og indsamling af information. I takt med at interessen for disse robotter bliver ved med at vokse, forskere er ved at udvikle måder at give dem den slags sanseevner, der findes i naturligt blødt væv.

Imidlertid, dette forsøg giver rigelige udfordringer. De fleste typer af taktil hud kræver en ledning til hvert enkelt sted, hvor folk ønsker at registrere berøring. Ledningerne kan efterhånden ligne en stor fuglerede, når det kommer til at fornemme store områder.

At gøre tingene værre, denne komplicerede elektriske grænseflade kan ødelægge systemet. "Kablerne kan være fine i hårde etuier som smartphones og andre enheder, men hvis du taler om stof, hud, eller noget andet der er blødt, så pludselig bliver alle de ledninger kilder til fejl, " sagde Carmel Majidi, en lektor i maskinteknik ved Carnegie Mellon University.

Så hvordan kan vi undgå dette besvær? Majidi og Tess Hellebrekers fra hans Soft Machines Lab har udviklet en elegant løsning:en blød magnetisk hud med et enkelt føleelement. Deres resultater blev offentliggjort i Avancerede intelligente systemer .

Denne bløde hud er som en elastisk magnet, der kan placeres på robotter, naturlig hud, eller andre materialer for at give dem en følelse af berøring. Den er sammensat af silikonegummi fyldt med millioner af mikropartikler. Hver partikel har en nordpol og en sydpol, som danner et magnetfelt. Når materialet kommer i kontakt med en anden genstand, gummiet registrerer bevægelsen, og alle disse mikropartikler vil begynde at bevæge sig rundt, og derved ændre det indre magnetfelt i gummiet.

Disse ændringer i magnetfeltet vil derefter blive detekteret af magnetometeret, en elektronisk chip indlejret i den magnetiske hud. Ved at måle disse ændringer, magnetometeret kan udlede kontaktens placering og intensitet. Med andre ord, den kan vurdere, hvor berøringen er, og hvor hårdt berøringen presser på materialets overflade.

"Jeg tror, ​​at kraft og kontakt er de to nøgleinteresser for de fleste hudsansninger, fordi vores hud også kan gøre det, sagde Hellebrekers, der er doktorand i robotteknologi.

Hvad mere er, denne hud behøver ikke at røre materialets overflade direkte for at mærke kontakter. "Det fine ved magneter er, at de skærer gennem luften, " sagde Majidi. "Du behøver ikke at have en fysisk forbindelse for at fornemme det magnetiske felt."

På grund af denne egenskab, den magnetiske hud kan udvikles til et fantastisk værktøj til medicin. Forskere og læger er blevet mere interesserede i at bruge blød robotteknologi i medicin, især i gastrointestinal (GI) endoskopi. Selvom de har gjort store fremskridt, det er stadig svært at inkorporere elektronik og sensorer, fordi de har tendens til at være meget omfangsrige og stive, hvilket vil forstyrre endoskopernes mobilitet.

Og det er netop derfor, Majidis team er begejstrede for at anvende deres nye resultater. "Et materiale som dette ville potentielt være et gennembrud inden for områder som robotendoskopi, hvor du ønsker at introducere sansefunktioner, men ikke ønsker at bruge omfangsrig elektronik og et væld af ledninger, " sagde Majidi.

For yderligere at forbedre den magnetiske hud, Majidis team vil studere, hvordan man detekterer kraft langs cylinderformede objekter, som ligner kateterendoskoper. De har også til formål at udvide sanseområderne i huden. I øjeblikket, den magnetiske hud kan lokalisere kontakt over en kontinuerlig 1,5 cm ^² areal. Forskerne ser på måder at få de magnetiske mikropartikler til at producere et større magnetfelt eller placere magnetometeret forskellige steder.

Selvom deres projekt stadig er under udvikling, det åbner en ny dør til blød robotføling. "Jeg kan virkelig godt lide dette system, fordi vi kan måle magnetfeltet uden nogen elektrisk grænseflade, " sagde Hellebrekers. "Det giver os meget mere frihed til at designe den slags grænseflade, der vil blive meget lettere integreret i forskellige systemer."