Ultradünne, batterielose Dehnungssensoren für industrielle Roboterarme

Hergestellt aus flexiblen, dehnbaren und elektrisch leitfähigen Nanomaterialien namens MXenes, wurden neuartige Dehnungssensoren entwickelt, die ultradünn, batterielos sind und Daten drahtlos übertragen können. Durch die Steuerung der Oberflächentexturen von MXenes konnten die Forscher die Erfassungsleistung von Dehnungssensoren für verschiedene weiche Exoskelette steuern. Die entwickelten Prinzipien des Sensordesigns werden die Leistung elektronischer Skins und weicher Roboter erheblich verbessern.

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 Roboterarme platziert, ermöglichen die Sensoren dem System, genau zu verstehen, wie stark sich die Roboterarme bewegen und in welcher Position sie sich im Verhältnis zum Ruhezustand befinden. Gegenwärtige handelsübliche Dehnungssensoren haben nicht die erforderliche Genauigkeit und Empfindlichkeit, um diese Funktion auszuführen.

Ein Bereich, in dem die Dehnungssensoren sinnvoll eingesetzt werden könnten, ist die Präzisionsfertigung, wo Roboterarme für komplizierte Aufgaben wie die Herstellung zerbrechlicher Produkte wie Mikrochips eingesetzt werden. 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. Die 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 und externe Kameras überflüssig machen, da sie die Positionierung und Bewegung ohne visuelle Eingabe verfolgen können.

Der technologische Durchbruch ist die Entwicklung eines Produktionsprozesses, der es Forschern ermöglicht, hochgradig anpassbare ultraempfindliche Sensoren über ein breites Arbeitsfenster mit hohen Signal-Rausch-Verhältnissen herzustellen. Das Arbeitsfenster eines Sensors bestimmt, wie weit er gedehnt werden kann, während er seine Erfassungsqualitäten beibehält, und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis bedeutet eine höhere Genauigkeit, da 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 eine Reichweite von bis zu 100 Prozent erreichen. Durch die Kombination mehrerer Sensoren mit unterschiedlichen Arbeitsfenstern können Forscher einen einzigen hochempfindlichen Sensor erstellen, der sonst unmöglich zu erreichen wäre.

Die fortschrittlichen flexiblen Sensoren verleihen weichen tragbaren Robotern eine wichtige Fähigkeit, die motorische Leistung eines Patienten zu erfassen, insbesondere in Bezug auf seinen Bewegungsbereich. Dies wird es dem Softroboter letztendlich ermöglichen, die Fähigkeiten eines Patienten besser zu verstehen und die notwendige Unterstützung für seine Handbewegungen bereitzustellen.

Das Team möchte auch die Fähigkeiten des Sensors in weichen Exoskelett-Robotern für die Rehabilitation und in chirurgischen Robotern für die transorale Roboterchirurgie verbessern. Krebsartiges Gewebe fühlt sich beispielsweise anders an als normales, gesundes Gewebe. Durch das Hinzufügen von ultradünnen drahtlosen Sensormodulen zu langen Roboterwerkzeugen können Chirurgen Bereiche erreichen und operieren, die ihre Hände nicht erreichen können, und möglicherweise die Gewebesteifheit „fühlen“, ohne dass eine offene Operation erforderlich ist.