Ultradunne, batterijvrije spanningssensoren voor industriële robotarmen

Gefabriceerd met behulp van flexibele, rekbare en elektrisch geleidende nanomaterialen, MXenes genaamd, werden nieuwe spanningssensoren ontwikkeld die ultradun zijn, geen batterijen bevatten en gegevens draadloos kunnen verzenden. Door de oppervlaktestructuren van MXenes te controleren, konden onderzoekers de detectieprestaties van spanningssensoren voor verschillende zachte exoskeletten regelen. De ontwikkelde sensorontwerpprincipes zullen de prestaties van elektronische skins en zachte robots aanzienlijk verbeteren.

De sensoren kunnen als een elektronische huid op een robotarm worden gecoat om subtiele bewegingen te meten terwijl ze worden uitgerekt. Wanneer ze langs de gewrichten van robotarmen worden geplaatst, stellen de sensoren het systeem in staat om precies te begrijpen hoeveel de robotarmen bewegen en hun huidige positie ten opzichte van de rusttoestand. De huidige standaard reksensoren hebben niet de vereiste nauwkeurigheid en gevoeligheid om deze functie uit te voeren.

Een gebied waar de 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. 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. De 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 en elimineren de noodzaak voor externe camera's, omdat ze positionering en beweging kunnen volgen zonder enige visuele invoer.

De technologische doorbraak is de ontwikkeling van een productieproces waarmee onderzoekers zeer aanpasbare ultragevoelige sensoren kunnen maken over een breed werkvenster met hoge signaal-ruisverhoudingen. Het werkvenster van een sensor bepaalt hoeveel hij kan uitrekken, terwijl zijn detectiekwaliteiten behouden blijven en een hoge signaal-ruisverhouding zorgt voor een grotere nauwkeurigheid, omdat de sensor onderscheid kan maken tussen subtiele trillingen en minieme 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 met behoud van een hoge gevoeligheid en signaal-ruisverhouding. Standaardsensoren kunnen doorgaans een bereik tot 100 procent bereiken. Door meerdere sensoren te combineren met verschillende werkvensters, kunnen onderzoekers een enkele ultragevoelige sensor creëren die anders onmogelijk zou zijn te realiseren.

De geavanceerde flexibele sensoren geven zachte draagbare robots een belangrijk vermogen om de motorische prestaties van een patiënt te meten, met name wat betreft hun bewegingsbereik. Dit zal de zachte robot uiteindelijk in staat stellen om het vermogen van een patiënt beter te begrijpen en de nodige hulp te bieden bij hun handbewegingen.

Het team wil ook de mogelijkheden van de sensor verbeteren in zachte exoskelet-robots voor revalidatie en in chirurgische robots voor transorale robotchirurgie. Kankerweefsels voelen bijvoorbeeld anders aan dan normale, gezonde weefsels. Door ultradunne draadloze detectiemodules toe te voegen aan lange robotinstrumenten, kunnen chirurgen bereiken en opereren in gebieden waar hun handen niet kunnen komen en mogelijk de weefselstijfheid kunnen "voelen" zonder de noodzaak van open chirurgie.