Elektronische huid anticipeert en neemt voor het eerst aanraking vanuit verschillende richtingen waar

Een onderzoeksteam uit Chemnitz en Dresden heeft een grote stap voorwaarts gezet in de ontwikkeling van een gevoelige elektronische huid (e-skin) met geïntegreerde kunstharen. E-skins zijn flexibele elektronische systemen die de gevoeligheid van hun natuurlijke tegenhangers van de menselijke huid proberen na te bootsen. Toepassingen variëren van huidvervanging en medische sensoren op het lichaam tot kunstmatige huid voor humanoïde robots en androïden.

Kleine haartjes op het oppervlak kunnen de geringste tactiele sensatie op de menselijke huid waarnemen en erop anticiperen en zelfs de richting van aanraking herkennen. Moderne elektronische huidsystemen hebben deze mogelijkheid niet en kunnen deze kritieke informatie over hun omgeving niet verzamelen.

Het onderzoeksteam heeft een nieuwe weg verkend om extreem gevoelige en richtingsafhankelijke 3D-magneetveldsensoren te ontwikkelen die kunnen worden geïntegreerd in een e-skin-systeem (actieve matrix). Het team gebruikte een volledig nieuwe benadering voor miniaturisatie en integratie van 3D-apparaatarrays en maakte een grote stap in de richting van het nabootsen van de natuurlijke aanraking van de menselijke huid. De onderzoekers hebben hun resultaten gerapporteerd in het tijdschrift Nature Communications.

Christian Becker, eerste auteur van de studie, zei:"Onze aanpak maakt een nauwkeurige ruimtelijke rangschikking van functionele sensorelementen in 3D mogelijk die in een parallel productieproces in massa kunnen worden geproduceerd. Dergelijke sensorsystemen zijn buitengewoon moeilijk te genereren met gevestigde micro-elektronische fabricagemethoden.”

De kern van het door het onderzoeksteam gepresenteerde sensorsysteem is een anisotrope magnetoweerstandssensor (AMR). Een AMR-sensor kan worden gebruikt om veranderingen in magnetische velden nauwkeurig te bepalen. Ze worden momenteel bijvoorbeeld gebruikt als snelheidssensoren in auto's of om de positie en hoek van bewegende componenten in verschillende machines te bepalen.

Verwante links:

5 hightech materialen die voelen en detecteren

Met functionele vezels wordt een shirt een waardevolle microfoon

Om het zeer compacte sensorsysteem te ontwikkelen, maakten de onderzoekers gebruik van het zogenaamde 'micro-origami-proces'. Dit proces wordt gebruikt om AMR-sensorcomponenten te vouwen in driedimensionale architecturen die het magnetische vectorveld in drie dimensies kunnen oplossen.

Micro-origami zorgt ervoor dat een groot aantal micro-elektronische componenten in een kleine ruimte passen en ze rangschikken in een geometrie die niet haalbaar is met conventionele microfabricagetechnologieën. "Micro-origami-processen werden meer dan 20 jaar geleden ontwikkeld en het is prachtig om te zien hoe het volledige potentieel van deze elegante technologie nu kan worden benut voor nieuwe micro-elektronische toepassingen", zegt prof. Oliver G. Schmidt.

Het onderzoeksteam integreerde de 3D micro-origami magnetische sensorarray in een enkele actieve matrix, waar elke individuele sensor gemakkelijk kan worden geadresseerd en uitgelezen door micro-elektronische schakelingen. "De combinatie van magnetische sensoren met actieve matrix en zelfassemblerende micro-origami-architecturen is een volledig nieuwe benadering om 3D-detectiesystemen met hoge resolutie te miniaturiseren en te integreren", zegt Dr. Daniil Karnaushenko, die een beslissende bijdrage leverde aan het concept, ontwerp en uitvoering van het project.

Het onderzoeksteam is erin geslaagd de 3D-magneetveldsensoren met magnetisch gewortelde fijne haartjes te integreren in een kunstmatige e-skin. De e-skin is gemaakt van een elastomeer materiaal waarin de elektronica en sensoren zijn ingebed - vergelijkbaar met een organische huid, die is verweven met zenuwen.

Wanneer het haar wordt aangeraakt en gebogen, kan de beweging en exacte positie van de magnetische wortel worden gedetecteerd door de onderliggende 3D magnetische sensoren. De sensormatrix is ​​dus niet alleen in staat om de blote beweging van het haar te registreren, maar bepaalt ook de exacte richting van de beweging. Net als bij de echte menselijke huid, wordt elke haar op een e-skin een volledige sensoreenheid die veranderingen in de omgeving kan waarnemen en detecteren.

De magneto-mechanische koppeling tussen 3D magnetische sensor en magnetische haarwortel in realtime zorgt voor een nieuw type aanraakgevoelige waarneming. Deze mogelijkheid is van groot belang wanneer mens en robot nauw samenwerken. Zo kan de robot interacties met een menselijke metgezel ruim van tevoren met veel details waarnemen net voordat een beoogd contact of een onbedoelde botsing op het punt staat plaats te vinden.