Revolutionaire ultra-dunne MXene-streksensoren verbeteren robotarmprecisie en -veiligheid

Een onderzoeks team van de National University of Singapore (NUS) heeft een eerste stap gezet naar het verbeteren van de veiligheid en precisie van industriële robotarmen door een nieuwe reeks nanomateriaal streksensoren te ontwikkelen die 10 keer gevoeliger zijn bij het meten van minuutte bewegingen, vergeleken met bestaande technologie.

Gefabriceerd met behulp van flexibele, rekbare, en elektrisch geleidende nanomaterialen genaamd MXenes, zijn deze nieuwe streksensoren ultra-dun, batterij-vrij, en kunnen data draadloos transmitteren. Met deze wenselijke eigenschappen kunnen de nieuwe streksensoren potentiëel gebruikt worden voor een breed scala aan toepassingen.

Assistent-professor Chen Po-Yen verklaarde, "Prestaties van conventionele streksensoren zijn altijd beperkt door de aard van de sensormaterialen, dus gebruikers hadden beperkte opties voor het aanpassen van sensoren voor specifieke toepassingen. In dit werk hebben we een eenvoudige strategie ontwikkeld om de oppervlakteteksturen van MXenes te controleren, wat ons in staat stelde de sensoreigenschappen van streksensoren te controleren voor diverse zachte exoskeletten. De sensorontwerprincipes ontwikkeld in dit werk zullen de prestaties van elektronische huid en zachte robots significant verbeteren."

Een gebied waar de nieuwe streksensoren goed van pas kunnen komen is precisiefabricage, waar robotarmen gebruikt worden om ingewikkelde taken uit te voeren, zoals het fabriceren van kwetsbare producten zoals microchips. De sensoren kunnen op een robotarm gecoat worden als een elektronische huid om subtiele bewegingen te meten als ze gerekt worden. Wanneer langs de gewichten van de armen geplaatst, laten de streksensoren het systeem precies begrijpen hoeveel de robotarmen bewegen en hun huidige positie ten opzichte van hun ruststaat. Huidige off-the-shelf streksensoren hebben niet de vereiste nauwkeurigheid en gevoeligheid om deze functie uit te voeren.

Conventionele geautomatiseerde robotarmen gebruikt in precisiefabricage vereisen externe camera's gericht op hen vanuit verschillende hoeken om hun positionering en beweging te helpen tracken. Deze ultra-gevoelige streksensoren zullen de algehele veiligheid van robotarmen verbeteren door geautomatiseerde feedback te geven op precieze bewegingen met een foutmarge onder één graad. Dat zal de noodzaak voor externe camera's wegnemen, aangezien ze positionering en beweging kunnen tracken zonder visuele input.

De technologische doorbraak is de ontwikkeling van een productieproces dat de onderzoekers in staat stelt om hoog-aanpasbare ultra-gevoelige sensoren over een breed werkvenster met hoge signaal-ruisverhoudingen te creëren.

Een sensor's werkvenster bepaalt hoeveel het kan rekken terwijl het nog steeds zijn sensorkwaliteiten behoudt. Ook, een hoge signaal-ruisverhouding betekent grotere nauwkeurigheid, wat de sensor in staat stelt om te differentiëren tussen subtiele trillingen en minuutte bewegingen van de robotarm.

Dit productieproces stelt het team in staat om hun sensoren aan te passen aan elk werkvenster tussen 0 en 900 procent, terwijl hoge gevoeligheid en hoge signaal-ruisverhouding behouden blijven. Standaardsensoren kunnen typisch een bereik van slechts tot 100 procent bereiken. Door meerdere sensoren met verschillende werkvensters te combineren, kunnen de onderzoekers een enkele ultra-gevoelige sensor creëren die anders onmogelijk zou zijn te bereiken.

Het onderzoeks team ontwikkelde een werkend prototype van de toepassing van sensoren voor de zachte exoskeletten in een zachte robotische revalidatiehandschoen. De sensoren geven de mogelijkheid om de motorische prestaties van een patiënt te voelen, met name in termen van hun beweegbereik. Dit zal uiteindelijk de zachte robot in staat stellen om de capaciteit van de patiënt beter te begrijpen en de benodigde hulp te bieden aan hun handbewegingen.

Het team werkt momenteel met het Singapore General Hospital om hun toepassing in zachte exoskeletrobots voor revalidatie en in chirurgische robots voor transorale robotische chirurgie te verkennen. "Als chirurg, vertrouwen we niet alleen op ons zicht, maar ook op ons tastzin, om het gebied in het lichaam dat we opereren te voelen. Kankerweefsels, bijvoorbeeld, voelen anders dan normale, gezonde weefsels. Door ultra-dunne draadloze sensormodules aan lange robotische tools toe te voegen, kunnen we bereiken en opereren in gebieden waar onze handen niet kunnen bereiken en potentiëel de weefselstijfheid 'voelen' zonder de noodzaak voor open chirurgie," zei Dr. Lim Chwee Ming van Singapore General Hospital.