Efterligner en menneskelig fingerspidsfølsomhed og retningssans til robotapplikationer

Efterhånden som robotudstyr såsom kunstige proteser og menneske-computer-grænseflader i stigende grad integreres i samfundet, har forskere kigget dybere ind i følsomheden af ​​de enheder, der tjener samme funktion som hænder. Menneskets fingerspidser er bemærkelsesværdigt følsomme. De kan kommunikere detaljer om en genstand så lille som 40μm (ca. halvdelen af ​​bredden af ​​et menneskehår), skelne subtile forskelle i overfladeteksturer og anvende lige kraft nok til at løfte enten et æg eller en 20 lb. pose hundefoder uden glider. De kan også manipulere objekter med relativ lethed.

Ingeniører har arbejdet på at efterligne denne evne til eventuel robot- eller protesebrug med varierende succesniveauer. Ved University of Michigan har prof. P.C. Ku og hans gruppe har for nylig rapporteret om en forbedret metode til taktil sansning, der registrerer retningsbestemthed såvel som kraft med et højt følsomhedsniveau. Systemets høje opløsning gør det unikt velegnet til robot- og HCI-applikationer. Den er også forholdsvis enkel at fremstille.

"Vi bygger bro mellem mennesker og computere, så måske kan vi lære en robot at føle objekter på en måde, der ville være tættere på vores egne evner," sagde doktorstuderende Nathan Dvořák.

Dvořák er medlem af et team ledet af prof. P.C. Ku, der har udviklet taktile sensorer i de sidste mange år. De er de første, der integrerer en meget følsom berøringssans sammen med retningsbestemthed ved hjælp af asymmetriske nanopiller - så en proteseanordning er i stand til at gribe bedre fat om et faldende objekt, eller en menneske-computer-grænseflade kan skelne en stigning fra en faldende bevægelse.

Som et bevis på konceptet byggede holdet en sensor, omtrent på størrelse med en fingerspids, der indeholder 1,6 millioner galliumnitrid (GaN) nanopillarer. GaN blev brugt på grund af dets evne til at måle kraft gennem dets medfødte piezoelektriske egenskab, hvilket betyder dets evne til at generere en elektrisk ladning, når det er stresset.

Den elliptiske form og arrangement af nanopillerne er nøglen til dens succes med at kunne detektere retningsbestemthed.

Den mindste enhed er nanopøjlen. Hver nanopiller har en elliptisk form og er 450 nm høj, hvilket er omkring 1.000 gange mindre end bredden af ​​menneskehår. Og hver nanopille er udstyret med sin egen LED.

Nanopillarerne er grupperet i individuelle arrays i form af et rektangel, 100×150 nanopillars eller 12.500 nanopillars per array. Hvert array grupperes derefter i umiddelbar nærhed med et andet array vinkelret på det. Dette arrangement er nøglen til dets evne til at registrere retning. De to ortogonale arrays kaldes en node.

En komplet sensor består af 64 noder i form af en firkant.

Når der påføres en kraft på nanopillerne, ændrer det lysintensiteten, der udsendes fra nanopillerne, som vist i videoen.

Fordi sensoren er i stand til at bestemme retningen af ​​kraften, kan den advare en fremtidig proteseanordning om, hvorvidt en genstand kan falde gennem dens greb, hvilket kræver et strammere greb.

Systemet kræver ikke komplekse elektriske forbindelser, som kræver meget høj ensartet fremstilling. Den bruger også velkendte fremstillingsmetoder, der let kan gentages.

"Og vi behøver ikke at have 100 % udbytte på vores enheder, eller endda lukke," sagde Dvořák. "På en af ​​mine nuværende enheder er der 1,6 millioner nanopillarer på sensoren, og den er stadig effektiv, selvom 25% af nanopillerne i et array er beskadiget under fremstillingen, fordi vi registrerer ændringen i lysintensiteten i stedet for den absolutte lysintensitet."

Sensoren var i stand til at skelne objekter, der målte kun 4,3 μm, hvilket gør den næsten 10 gange mere følsom end en menneskelig fingerspids. Og den kunne registrere vægten af ​​en genstand, der ligner en papirclips, eller omkring 0,1 gram.

Det nuværende proof of concept bruger en hyldevare til at registrere ændringen i lyset, der opstår, når overfladen røres.

"Vi arbejder nu på at udvikle et komplet system," sagde Dvořák. Efter at have fået det nuværende system til at fungere med elektricitet, vil han montere sensoren oven på en CMOS-imager, som registrerer ændringerne i lysintensiteten, og forbinder den med en mikroprocessor til automatiseret informationsbehandling.

Forskningen er beskrevet i "Ultrathin Tactile Sensors with Directional Sensitivity and a High Spatial Resolution," offentliggjort i Nano Letters . + Udforsk yderligere

Insektvinger rummer antimikrobielle spor til forbedrede medicinske implantater