Ultra-dunne, batterijvrije MXene-reksensoren revolutioneren industriële robotarmen

Gefabriceerd met behulp van flexibele, uitrekbare en elektrisch geleidende nanomaterialen genaamd MXenes, zijn nieuwe reksensoren ontwikkeld die ultra-dun, batterijvrij zijn en data draadloos kunnen transmissieren. Door de oppervlakteteksturen van MXenes te controleren, konden onderzoekers de sensoringprestaties van reksensoren voor diverse zachte exoskeletten sturen. De ontwikkelde sensorontwerprincipes zullen de prestaties van elektronische huiden en zachte robots significant verbeteren.

De sensoren kunnen op een robotarm gecoat worden als een elektronische huid om subtiele bewegingen te meten terwijl ze uitgerekt worden. Wanneer geplaatst langs de gewrichten van robotarmen, laten de sensoren het systeem precies begrijpen hoeveel de robotarmen bewegen en wat hun huidige positie is ten opzichte van de ruststand. Huidige off-the-shelf reksensoren hebben niet de vereiste nauwkeurigheid en gevoeligheid om deze functie uit te voeren.

Een gebied waar de reksensoren goed van pas kunnen komen is precisiefabricatie, waar robotarmen gebruikt worden voor ingewikkelde taken zoals het fabriceren van kwetsbare producten zoals microchips. Conventionele geautomatiseerde robotarmen in precisiefabricatie vereisen externe camera's gericht op hen vanuit verschillende hoeken om hun positionering en beweging te volgen. De ultra-gevoelige reksensoren zullen de algehele veiligheid van robotarmen verbeteren door geautomatiseerde terugkoppeling over nauwkeurige bewegingen met een foutmarge onder één graad te bieden en de noodzaak voor externe camera's te verwijderen, omdat ze positionering en beweging zonder visuele input kunnen volgen.

De technologische doorbraak is de ontwikkeling van een productieproces dat onderzoekers in staat stelt hoogst aanpasbare ultra-gevoelige sensoren over een breed werkvenster met hoge signaal-ruis-verhoudingen te creëren. Een sensor's werkvenster bepaalt hoeveel het kan rekken terwijl het zijn sensorkwaliteiten behoudt en een hoge signaal-ruis-verhouding betekent grotere nauwkeurigheid, aangezien de sensor kan 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 signaal-ruis-verhouding behouden blijven. Standaardsensoren kunnen typisch een bereik van maximaal 100 procent bereiken. Door meerdere sensoren met verschillende werkvensters te combineren, kunnen onderzoekers een enkele ultra-gevoelige sensor creëren die anders onmogelijk zou zijn.

De geavanceerde flexibele sensoren geven zachte draagbare robots een belangrijke mogelijkheid in het waarnemen van de motorische prestaties van een patiënt, met name in termen van hun bewegingsbereik. Dit zal uiteindelijk de zachte robot in staat stellen de vaardigheden van een patiënt beter te begrijpen en de benodigde hulp bij hun handbewegingen te bieden.

Het team kijkt ook naar het verbeteren van de sensorcapaciteiten in zachte exoskeleton-robots voor revalidatie en in chirurgische robots voor transorale robotchirurgie. Kankerweefsels voelen anders dan normale, gezonde weefsels. Door ultra-dunne draadloze sensormodules aan lange robotgereedschappen toe te voegen, kunnen chirurgen bereiken en opereren in gebieden waar hun handen niet kunnen reiken en potentieel de 'stevigheid' van het weefsel voelen zonder de noodzaak voor open chirurgie.