Forskere udvikler trådløst, ultratynde og batterifrie belastningssensorer, der er 10 gange mere følsomme

Et forskerhold fra National University of Singapore (NUS), ledet af adjunkt Chen Po-Yen, har taget det første skridt i retning af at forbedre sikkerheden og præcisionen af ​​industrielle robotarme ved at udvikle en ny serie af nanomateriale-belastningssensorer, der er 10 gange mere følsomme, når de måler små bevægelser, sammenlignet med eksisterende teknologi.

Fremstillet ved hjælp af fleksibel, strækbar, og elektrisk ledende nanomaterialer kaldet MXenes, disse nye belastningssensorer udviklet af NUS-teamet er ultratynde, batterifri og kan overføre data trådløst. Med disse ønskværdige egenskaber, de nye belastningssensorer kan potentielt bruges til en lang række applikationer.

Adjunkt Chen, som er fra NUS Institut for Kemi og Biomolekylær Teknik, forklaret, "Ydeevnen af ​​konventionelle belastningssensorer har altid været begrænset af arten af ​​de anvendte følermaterialer, og brugerne har begrænsede muligheder for at tilpasse sensorerne til specifikke applikationer. I dette arbejde, vi har udviklet en nem strategi til at kontrollere overfladeteksturerne på MXenes, og dette satte os i stand til at kontrollere detekteringsydelsen af ​​belastningssensorer til forskellige bløde exoskeletons. Sensordesignprincipperne udviklet i dette arbejde vil forbedre ydeevnen af ​​elektroniske skins og bløde robotter markant."

Præcisionsfremstilling

Et område, hvor de nye belastningssensorer kunne bruges godt, er i præcisionsfremstilling, hvor robotarme bruges til at udføre indviklede opgaver, såsom fremstilling af skrøbelige produkter som mikrochips.

Disse belastningssensorer udviklet af NUS-forskere kan belægges på en robotarm som en elektronisk hud for at måle subtile bevægelser, når de strækkes. Når de placeres langs leddene af robotarme, disse belastningssensorer gør det muligt for systemet at forstå præcist, hvor meget robotarmene bevæger sig og deres aktuelle position i forhold til hviletilstanden. Nuværende hyldevare-belastningssensorer har ikke den nødvendige nøjagtighed og følsomhed til at udføre denne funktion.

Konventionelle automatiserede robotarme, der bruges til præcisionsfremstilling, kræver eksterne kameraer rettet mod dem fra forskellige vinkler for at hjælpe med at spore deres positionering og bevægelse. De ultra-følsomme belastningssensorer udviklet af NUS-teamet vil hjælpe med at forbedre den overordnede sikkerhed af robotarme ved at give automatisk feedback på præcise bevægelser med en fejlmargin under én grad, og fjern behovet for eksterne kameraer, da de kan spore positionering og bevægelse uden visuel input.

"Det er en stor fornøjelse for Realtek Singapore at arbejde sammen med adjunkt Chen Po-Yen og hans team i NUS for udviklingen af ​​trådløse sensormoduler, der kan anvendes til bløde robotter og industrielle robotarme. Vores samudviklede trådløse sensorer med kundedefineret sensorydeevne tillade robotterne at udføre højpræcisionsbevægelser, og feedback sensing data kan transmitteres trådløst, som hænger sammen med Realtek Singapores tilgange i trådløs smart fabrik. Realtek vil fortsætte med at opbygge et stærkt samarbejde med NUS, og vi ser frem til at bringe teknologierne fra laboratoriet til markedet, " sagt af Dr. Yeh Po-Leh, Formand for Realtek Singapore.

kan tilpasses, ultra-følsomme sensorer

Det teknologiske gennembrud er udviklingen af ​​en produktionsproces, der giver NUS-forskere mulighed for at skabe meget tilpasselige ultrafølsomme sensorer over et bredt arbejdsvindue med høje signal-til-støj-forhold.

En sensors arbejdsvindue bestemmer, hvor meget den kan strække sig, samtidig med at den bevarer sine sansekvaliteter og har et højt signal-til-støj-forhold betyder større nøjagtighed, da sensoren kan skelne mellem subtile vibrationer og små bevægelser af robotarmen.

Denne produktionsproces giver teamet mulighed for at tilpasse deres sensorer til ethvert arbejdsvindue mellem 0 og 900 procent, samtidig med at høj følsomhed og signal-støjforhold bevares. Standardsensorer kan typisk opnå en rækkevidde på op til 100 procent. Ved at kombinere flere sensorer med forskellige arbejdsvinduer, NUS-forskere kan skabe en enkelt ultrafølsom sensor, som ellers ville være umulig at opnå.

Forskerholdet tog to år at udvikle dette gennembrud og har siden publiceret deres arbejde i det videnskabelige tidsskrift ACS Nano i september 2020. De har også en fungerende prototype på anvendelsen af ​​bløde eksoskeletoner i en blød robot-rehabiliteringshandske.

"Disse avancerede fleksible sensorer giver vores bløde, bærbare robotter en vigtig evne til at registrere patientens motoriske ydeevne, især med hensyn til deres bevægelsesområde. Dette vil i sidste ende sætte den bløde robot i stand til bedre at forstå patientens evner og give den nødvendige assistance til deres håndbevægelser, " sagde lektor Raye Yeow, der leder et blødt robotlaboratorium i NUS Department of Biomedical Engineering, og leder programmet Soft and Hybrid Robotics under National Robotics R&D Program Office.

Robotkirurgi

Holdet søger også at forbedre sensorens egenskaber og samarbejder med Singapore General Hospital for at udforske anvendelsen i bløde eksoskeletrobotter til rehabilitering og i kirurgiske robotter til transoral robotkirurgi.

"Som kirurg vi er afhængige af ikke kun vores syn, men også vores følesans for at mærke det område inde i kroppen, hvor vi opererer. Kræftvæv, for eksempel, føle sig anderledes end normalt, sundt væv. Ved at tilføje ultratynde trådløse sensormoduler til lange robotværktøjer, vi kan nå og operere i områder, hvor vores hænder ikke kan nå og potentielt "føle" vævets stivhed uden behov for åben operation, " sagde Dr. Lim Chwee Ming, Senior konsulent, Otorhinolaryngologi-hoved- og halskirurgi, Singapore General Hospital.