Nieuw E-Skin met Kunstmatige Haren Detecteert en Anticipeert Multidirectionele Aanraking

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

Kleine oppervlakteharen kunnen de minste tastzintuiging op menselijke huid waarnemen en anticiperen en zelfs de richting van aanraking herkennen. Moderne elektronische huidsystemen missen deze capaciteit en kunnen deze cruciale informatie over hun omgeving niet verzamelen.

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

Christian Becker, eerste auteur van de studie, zei: 'Onze benadering stelt een precieze ruimtelijke rangschikking van functionele sensorelementen in 3D toe die in een parallelle productieproces massaal geproduceerd kunnen worden. Dergelijke sensorsystemen zijn extreem moeilijk te genereren met gevestigde micro-elektronische fabricagemethoden.'

De kern van het sensorsysteem dat door het onderzoeks-team gepresenteerd wordt, is een anisotrope magnetoweerstand (AMR) sensor. Een AMR-sensor kan gebruikt worden om veranderingen in magnetische velden nauwkeurig te bepalen. Ze worden momenteel gebruikt, bijvoorbeeld, als snelheidssensoren in auto's of om de positie en hoek van bewegende componenten in een verscheidenheid aan machines te bepalen.

Gerelateerde Links:

5 High-Tech Materialen Die Voelen en Detecteren

Met Functionele Vezels Wordt Een Hemd Een Waardevolle Microfoon

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

Micro-origami stelt een groot aantal micro-elektronische componenten in een kleine ruimte te passen en ze in een geometrie te rangschikken die niet bereikbaar is door conventionele microfabricatietechnologieën. 'Micro-origami processen zijn 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,' zei Prof. Oliver G. Schmidt.

Het onderzoeks-team integreerde de 3D micro-origami magnetische sensorarray in een enkele actieve matrix, waar elke individuele sensor gemakkelijk aangesproken en uitgelezen kan worden door micro-elektronische schakelingen. 'De combinatie van actieve-matrix magnetische sensoren met zelf-assemblerende micro-origami architecturen is een volledig nieuwe benadering om high-resolutie 3D sensoringssystemen te miniaturiseren en te integreren,' zei Dr. Daniil Karnaushenko, die beslissend bijdroeg aan het concept, ontwerp en implementatie van het project.

Het onderzoeks-team is erin geslaagd de 3D magnetische veldsensoren met magnetisch gewortelde fijne haren te integreren in een kunstmatige e-skin. De e-skin is gemaakt van een elastomermateriaal waarin de elektronica en sensoren zijn ingesloten — vergelijkbaar met organische huid, die doorzen is met zenuwen.

Wanneer het haar wordt aangeraakt en buigt, kan de beweging en exacte positie van de magnetische wortel worden gedetecteerd door de onderliggende 3D magnetische sensoren. De sensormatrix is daarom niet alleen in staat de naakte beweging van het haar te registreren, maar bepaalt ook de exacte richting van de beweging. Net als met echte menselijke huid, wordt elk 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 real-time biedt een nieuw type tastgevoelige perceptie. Deze capaciteit is van groot belang wanneer mensen en robots nauw samenwerken. Bijvoorbeeld, de robot kan interacties met een menselijke metgezel goed voorafgaand met veel details voelen net voordat een beoogde contact of een onbedoelde botsing plaatsvindt.