Onderzoekers ontwikkelen draadloze, ultradunne en batterijloze spanningssensoren die 10 keer gevoeliger zijn

Een onderzoeksteam van de National University of Singapore (NUS), onder leiding van assistent-professor Chen Po-Yen, heeft de eerste stap gezet om de veiligheid en precisie van industriële robotarmen te verbeteren door een nieuwe reeks reksensoren van nanomaterialen te ontwikkelen die 10 keer gevoeliger bij het meten van minuutbewegingen, vergeleken met bestaande technologie.

Deze nieuwe spanningssensoren, ontwikkeld door het NUS-team, zijn vervaardigd uit flexibele, rekbare en elektrisch geleidende nanomaterialen, MXenes genaamd, en zijn ultradun, batterijloos en kunnen gegevens draadloos verzenden. Met deze gewenste eigenschappen kunnen de nieuwe spanningssensoren potentieel worden gebruikt voor een breed scala aan toepassingen.

Universitair docent Chen, die van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering van NUS komt, legde uit: “De prestaties van conventionele spanningssensoren zijn altijd beperkt geweest door de aard van de gebruikte detectiematerialen, en gebruikers hebben beperkte opties om de sensoren aan te passen voor specifieke toepassingen. voor dit werk hebben we een gemakkelijke strategie ontwikkeld om de oppervlaktetexturen van MXenes te beheersen, en dit stelde ons in staat om de detectieprestaties van spanningssensoren voor verschillende zachte exoskeletten te regelen. De sensorontwerpprincipes die in dit werk zijn ontwikkeld, zullen de prestaties van elektronische skins aanzienlijk verbeteren en zachte robots. “

Precisie fabricage

Een gebied waar de nieuwe spanningssensoren goed kunnen worden gebruikt, is bij precisieproductie, waar robotarmen worden gebruikt om ingewikkelde taken uit te voeren, zoals het vervaardigen van kwetsbare producten zoals microchips.

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

Conventionele geautomatiseerde robotarmen die bij precisieproductie worden gebruikt, vereisen externe camera’s die vanuit verschillende hoeken op hen gericht zijn om hun positionering en beweging te helpen volgen. De ultragevoelige spanningssensoren die door het NUS-team zijn ontwikkeld, zullen de algehele veiligheid van robotarmen helpen verbeteren door geautomatiseerde feedback te geven over precieze bewegingen met een foutmarge van minder dan één graad, en de noodzaak voor externe camera’s overbodig maken omdat ze positionering en beweging kunnen volgen zonder elke visuele input.

“Het is een groot genoegen voor Realtek Singapore om samen met assistent-professor Chen Po-Yen en zijn team in NUS te werken aan de ontwikkeling van draadloze sensormodules die toepasbaar zijn op zachte robots en industriële robotarmen. Onze gezamenlijk ontwikkelde draadloze sensoren met door de klant aangewezen detectieprestaties stelt de robots in staat uiterst nauwkeurige bewegingen uit te voeren, en de feedback-detectiegegevens kunnen draadloos worden verzonden, wat overeenkomt met de benaderingen van Realtek Singapore in draadloze slimme fabriek. Realtek zal een sterke samenwerking met NUS blijven opbouwen en we kijken ernaar uit om de technologieën van het laboratorium tot de markt, “zei Dr. Yeh Po-Leh, voorzitter van Realtek Singapore.

Aanpasbare, ultragevoelige sensoren

De technologische doorbraak is de ontwikkeling van een productieproces waarmee NUS-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 hij toch zijn detectiekwaliteiten behoudt en een hoge signaal-ruisverhouding betekent een grotere nauwkeurigheid omdat 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 signaal-ruisverhouding. Standaardsensoren kunnen doorgaans een bereik tot 100 procent behalen. Door meerdere sensoren te combineren met verschillende werkvensters, kunnen NUS-onderzoekers een enkele ultragevoelige sensor maken die anders onmogelijk zou zijn.

Het onderzoeksteam heeft twee jaar nodig gehad om deze doorbraak te ontwikkelen en heeft sindsdien hun werk gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano in september 2020. Ze hebben ook een werkend prototype van de toepassing van zachte exoskeletten in een zachte robotrevalidatiehandschoen.

“Deze geavanceerde flexibele sensoren geven onze zachte draagbare robots een belangrijk vermogen om de motorische prestaties van de patiënt te detecteren, met name wat betreft 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. “, zegt universitair hoofddocent Raye Yeow, hoofd van een laboratorium voor zachte robotica in de afdeling Biomedische Technologie van NUS, en leidt het programma Zachte en hybride robotica onder het National Robotics R&D Program Office.

Robotchirurgie

Het team wil ook de mogelijkheden van de sensor verbeteren en werkt samen met het Singapore General Hospital om de toepassing te onderzoeken in zachte exoskeletrobots voor revalidatie en in chirurgische robots voor transorale robotchirurgie.

“Als chirurg vertrouwen we niet alleen op ons gezichtsvermogen, maar ook op onze tastzin om het gebied in het lichaam waar we opereren te voelen. Kankerweefsel voelt bijvoorbeeld anders aan dan normaal, gezond weefsel. Door ultradunne draadloze detectiemodules tot lange robotgereedschappen, kunnen we bereiken en opereren in gebieden waar onze handen niet kunnen komen en mogelijk de weefselstijfheid “voelen” zonder de noodzaak van een open operatie “, aldus Dr. Lim Chwee Ming, Senior Consultant, Hoofd Otorinolaryngologie & Neck Surgery, Singapore General Hospital.