Ultradünne und hochempfindliche Dehnungssensoren

Ein Forschungsteam der National University of Singapore (NUS) hat einen ersten Schritt zur Verbesserung der Sicherheit und Präzision industrieller Roboterarme unternommen, indem es eine neue Reihe von Nanomaterial-Dehnungssensoren entwickelt hat, die bei der Messung kleinster Bewegungen zehnmal empfindlicher sind als bestehende Technologien .

Diese neuartigen Dehnungssensoren werden aus flexiblen, dehnbaren und elektrisch leitfähigen Nanomaterialien namens MXenes hergestellt, sind ultradünn, batterielos und können Daten drahtlos übertragen. Mit diesen wünschenswerten Eigenschaften können die neuartigen Dehnungssensoren potenziell für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden.

Der stellvertretende Professor Chen Po-Yen erklärte:„Die Leistung herkömmlicher Dehnungssensoren war schon immer durch die Art der Sensormaterialien begrenzt, sodass Benutzer nur begrenzte Möglichkeiten hatten, die Sensoren für bestimmte Anwendungen anzupassen. In dieser Arbeit haben wir eine einfache Strategie zur Steuerung der Oberflächentexturen von MXenes entwickelt, die es uns ermöglicht hat, die Erfassungsleistung von Dehnungssensoren für verschiedene weiche Exoskelette zu steuern. Die in dieser Arbeit entwickelten Prinzipien des Sensordesigns werden die Leistung elektronischer Skins und weicher Roboter erheblich verbessern.“

Ein Bereich, in dem die neuartigen Dehnungssensoren sinnvoll eingesetzt werden könnten, ist die Präzisionsfertigung, wo Roboterarme zur Durchführung komplizierter Aufgaben eingesetzt werden, beispielsweise zur Herstellung zerbrechlicher Produkte wie Mikrochips. Die Sensoren können wie eine elektronische Haut auf einen Roboterarm aufgetragen werden, um subtile Bewegungen zu messen, wenn sie gedehnt werden. An den Gelenken der Arme platziert, ermöglichen die Dehnungssensoren dem System, genau zu verstehen, wie stark sich die Roboterarme bewegen und ihre aktuelle Position relativ zu ihrem Ruhezustand. Gegenwärtige handelsübliche Dehnungssensoren haben nicht die erforderliche Genauigkeit und Empfindlichkeit, um diese Funktion auszuführen.

Herkömmliche automatisierte Roboterarme, die in der Präzisionsfertigung verwendet werden, erfordern externe Kameras, die aus verschiedenen Winkeln auf sie gerichtet sind, um ihre Positionierung und Bewegung zu verfolgen. Diese hochempfindlichen Dehnungssensoren werden dazu beitragen, die Gesamtsicherheit von Roboterarmen zu verbessern, indem sie automatisiertes Feedback zu präzisen Bewegungen mit einer Fehlerspanne von weniger als einem Grad liefern. Dadurch werden externe Kameras überflüssig, da sie die Positionierung und Bewegung ohne visuelle Eingabe verfolgen können.

Der technologische Durchbruch ist die Entwicklung eines Produktionsprozesses, der es den Forschern ermöglicht, hochgradig anpassbare ultraempfindliche Sensoren über ein breites Arbeitsfenster mit hohen Signal-Rausch-Verhältnissen herzustellen.

Das Arbeitsfenster eines Sensors bestimmt, wie stark er sich ausdehnen kann, während er seine Erfassungsqualitäten beibehält. Außerdem bedeutet ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis eine höhere Genauigkeit, wodurch der Sensor zwischen subtilen Vibrationen und winzigen Bewegungen des Roboterarms unterscheiden kann.

Dieser Produktionsprozess ermöglicht es dem Team, seine Sensoren an jedes Arbeitsfenster zwischen 0 und 900 Prozent anzupassen und gleichzeitig eine hohe Empfindlichkeit und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis beizubehalten. Standardsensoren können typischerweise nur eine Reichweite von bis zu 100 Prozent erreichen. Durch die Kombination mehrerer Sensoren mit unterschiedlichen Arbeitsfenstern können die Forscher einen einzigen hochempfindlichen Sensor schaffen, der sonst unmöglich zu erreichen wäre.

Das Forschungsteam entwickelte einen funktionierenden Prototyp der Anwendung von Sensoren für die weichen Exoskelette in einem weichen Roboter-Rehabilitationshandschuh. Die Sensoren vermitteln die Fähigkeit, die motorische Leistung eines Patienten zu erfassen, insbesondere in Bezug auf seinen Bewegungsbereich. Dies wird es dem Softroboter letztendlich ermöglichen, die Fähigkeiten des Patienten besser zu verstehen und die notwendige Unterstützung für seine Handbewegungen bereitzustellen.

Das Team arbeitet derzeit mit dem Singapore General Hospital zusammen, um ihre Anwendung in weichen Exoskelett-Robotern für die Rehabilitation und in chirurgischen Robotern für die transorale Roboterchirurgie zu untersuchen. „Als Chirurg verlassen wir uns nicht nur auf unser Sehen, sondern auch auf unseren Tastsinn, um den Bereich im Inneren des Körpers zu fühlen, an dem wir operieren. Krebsartiges Gewebe fühlt sich beispielsweise anders an als normales, gesundes Gewebe. Durch das Hinzufügen ultradünner drahtloser Sensormodule zu langen Roboterwerkzeugen können wir Bereiche erreichen und operieren, die unsere Hände nicht erreichen können, und möglicherweise die Gewebesteifheit „fühlen“, ohne dass eine offene Operation erforderlich ist“, sagte Dr. Lim Chwee Ming aus Singapur Allgemeines Krankenhaus.