Ultradunne en zeer gevoelige reksensoren

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

Deze nieuwe spanningssensoren zijn gemaakt van flexibele, rekbare en elektrisch geleidende nanomaterialen, MXenes genaamd, zijn ultradun, hebben geen batterijen en kunnen draadloos gegevens verzenden. Met deze gewenste eigenschappen kunnen de nieuwe reksensoren potentieel worden gebruikt voor een breed scala aan toepassingen.

Asst-professor Chen Po-Yen legt uit:"De prestaties van conventionele reksensoren zijn altijd beperkt geweest door de aard van de detectiematerialen, dus gebruikers hadden beperkte opties om de sensoren aan te passen voor specifieke toepassingen. In dit werk hebben we een gemakkelijke strategie ontwikkeld om de oppervlaktetexturen van MXenes te controleren, waardoor we de detectieprestaties van spanningssensoren voor verschillende zachte exoskeletten hebben kunnen controleren. De ontwerpprincipes van de sensoren die in dit werk zijn ontwikkeld, zullen de prestaties van elektronische skins en zachte robots aanzienlijk verbeteren.”

Een gebied waar de nieuwe spanningssensoren goed kunnen worden gebruikt, is de precisieproductie, waar robotarmen worden gebruikt om ingewikkelde taken uit te voeren, zoals het vervaardigen van kwetsbare producten zoals microchips. De sensoren kunnen als een elektronische huid op een robotarm worden gecoat om subtiele bewegingen te meten terwijl ze worden uitgerekt. Wanneer de spanningssensoren langs de gewrichten van de armen worden geplaatst, kan het systeem precies begrijpen hoeveel de robotarmen bewegen en wat hun huidige positie is ten opzichte van hun rusttoestand. De huidige standaard reksensoren hebben niet de vereiste nauwkeurigheid en gevoeligheid om deze functie uit te voeren.

Conventionele geautomatiseerde robotarmen die worden gebruikt in precisiefabricage, vereisen externe camera's die vanuit verschillende hoeken op hen zijn gericht om hun positionering en beweging te volgen. Deze ultragevoelige spanningssensoren helpen de algehele veiligheid van robotarmen te verbeteren door geautomatiseerde feedback te geven over precieze bewegingen met een foutmarge van minder dan één graad. Dat maakt externe camera's overbodig, omdat ze positionering en beweging kunnen volgen zonder enige visuele input.

De technologische doorbraak is de ontwikkeling van een productieproces waarmee de onderzoekers zeer aanpasbare ultragevoelige sensoren hebben kunnen maken over een breed werkvenster met hoge signaal-ruisverhoudingen.

Het werkvenster van een sensor bepaalt hoeveel deze kan worden uitgerekt met behoud van zijn waarnemingskwaliteiten. Een hoge signaal-ruisverhouding betekent ook een grotere nauwkeurigheid, waardoor de sensor onderscheid kan maken tussen subtiele trillingen en minieme bewegingen van de robotarm.

Dankzij dit productieproces kan het team hun sensoren aanpassen aan elk werkvenster tussen 0 en 900 procent, met behoud van een hoge gevoeligheid en een hoge signaal-ruisverhouding. Standaardsensoren kunnen doorgaans een bereik van maximaal 100 procent bereiken. Door meerdere sensoren te combineren met verschillende werkvensters, kunnen de onderzoekers een enkele ultragevoelige sensor creëren die anders onmogelijk zou zijn te realiseren.

Het onderzoeksteam ontwikkelde een werkend prototype van de toepassing van sensoren voor de zachte exoskeletten in een zachte robotrehabilitatiehandschoen. De sensoren geven de mogelijkheid om de motorische prestaties van een patiënt te voelen, met name in termen van hun bewegingsbereik. Dit zal de zachte robot uiteindelijk in staat stellen om het vermogen van de patiënt beter te begrijpen en de nodige hulp te bieden bij hun handbewegingen.

Het team werkt momenteel samen met het Singapore General Hospital om hun toepassing in zachte exoskeletrobots voor revalidatie en in chirurgische robots voor transorale robotchirurgie te onderzoeken. "Als chirurg vertrouwen we niet alleen op ons zicht, maar ook op onze tastzin, om het gebied in het lichaam te voelen waar we aan werken. Kankerweefsels voelen bijvoorbeeld anders aan dan normaal, gezond weefsel. Door ultradunne draadloze detectiemodules toe te voegen aan lange robotgereedschappen, kunnen we gebieden bereiken waar onze handen niet kunnen komen en mogelijk de weefselstijfheid kunnen "voelen" zonder de noodzaak van open chirurgie," zei Dr. Lim Chwee Ming uit Singapore Algemeen ziekenhuis.