Revolutionäre ultradünne MXene-Dehnungssensoren verbessern Roboterarm-Präzision und -Sicherheit

Ein Forschungsteam der National University of Singapore (NUS) hat einen ersten Schritt zur Verbesserung der Sicherheit und Präzision industrieller Roboterarme gemacht, indem es einen neuen Bereich von Nanomaterial-Dehnungssensoren entwickelte, die bei der Messung winziger Bewegungen 10-mal empfindlicher sind als bestehende Technologie.

Hergestellt aus flexiblen, dehnbaren und elektrisch leitfähigen Nanomaterialien namens MXene, sind diese neuartigen Dehnungssensoren ultradünn, batterielos und können Daten drahtlos übertragen. Mit diesen wünschenswerten Eigenschaften können die neuartigen Dehnungssensoren potenziell für eine breite Palette von Anwendungen eingesetzt werden.

Asst Professor Chen Po-Yen erklärte: „Die Performance konventioneller Dehnungssensoren war immer durch die Natur der Sensormaterialien begrenzt, sodass Nutzer begrenzte Optionen hatten, die Sensoren für spezifische Anwendungen anzupassen. In dieser Arbeit haben wir eine einfache Strategie entwickelt, um die Oberflächentexturen von MXenen zu kontrollieren, was uns ermöglicht hat, die Sensing-Performance von Dehnungssensoren für verschiedene weiche Exoskelette zu steuern. Die in dieser Arbeit entwickelten Sensordesign-Prinzipien werden die Performance von elektronischen Häuten und weichen Robotern signifikant verbessern.“

Ein Bereich, in dem die neuartigen Dehnungssensoren gut eingesetzt werden könnten, ist die Präzisionsfertigung, wo Roboterarme verwendet werden, um komplexe Aufgaben auszuführen, wie die Fertigung fragiler Produkte wie Mikrochips. Die Sensoren können wie eine elektronische Haut auf einen Roboterarm aufgebracht werden, um subtile Bewegungen zu messen, während sie sich dehnen. Wenn sie entlang der Gelenke der Arme platziert werden, erlauben die Dehnungssensoren dem System, präzise zu verstehen, wie stark sich die Roboterarme bewegen und ihre aktuelle Position relativ zu ihrem Ruhezustand. Aktuelle Standard-Dehnungssensoren haben nicht die erforderliche Genauigkeit und Empfindlichkeit, um diese Funktion auszuführen.

Konventionelle automatisierte Roboterarme in der Präzisionsfertigung benötigen externe Kameras, die aus verschiedenen Winkeln auf sie gerichtet sind, um ihre Positionierung und Bewegung zu verfolgen. Diese ultraempfindlichen Dehnungssensoren werden die Gesamtsicherheit von Roboterarmen verbessern, indem sie automatisiertes Feedback zu präzisen Bewegungen mit einem Fehlermargin unter einem Grad liefern. Das wird die Notwendigkeit externer Kameras beseitigen, da sie Positionierung und Bewegung ohne jegliche 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 zu erstellen.

Das Arbeitsfenster eines Sensors bestimmt, wie weit er sich dehnen kann, während er seine Sensing-Eigenschaften beibehält. Auch ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis bedeutet größere Genauigkeit, was dem Sensor ermöglicht, zwischen subtilen Vibrationen und winzigen Bewegungen des Roboterarms zu unterscheiden.

Dieser Produktionsprozess erlaubt dem Team, ihre Sensoren auf jedes Arbeitsfenster zwischen 0 und 900 Prozent anzupassen, während hohe Empfindlichkeit und hohes Signal-Rausch-Verhältnis beibehalten werden. Standard-Sensoren können typischerweise nur einen Bereich von bis zu 100 Prozent erreichen. Durch Kombination mehrerer Sensoren mit unterschiedlichen Arbeitsfenstern können die Forscher einen einzelnen ultraempfindlichen Sensor erstellen, der sonst unmöglich zu erreichen wäre.

Das Forschungsteam entwickelte einen funktionsfähigen Prototyp der Anwendung von Sensoren für weiche Exoskelette in einem weichen robotischen Rehabilitationshandschuh. Die Sensoren verleihen die Fähigkeit, die motorische Leistung eines Patienten zu spüren, insbesondere in Bezug auf ihren Bewegungsumfang. Dies wird letztlich dem weichen Roboter ermöglichen, die Fähigkeit des Patienten besser zu verstehen und die notwendige Unterstützung für ihre Handbewegungen zu bieten.

Das Team arbeitet derzeit mit dem Singapore General Hospital zusammen, um ihre Anwendung in weichen Exoskelett-Robotern für Rehabilitation und in chirurgischen Robotern für transorale Roboterchirurgie zu erforschen. „Als Chirurg verlassen wir uns nicht nur auf unseren Sehsinn, sondern auch auf unseren Tastsinn, um den Bereich im Körper zu fühlen, an dem wir operieren. Krebsgewebe fühlt sich beispielsweise anders an als normales, gesundes Gewebe. Durch Hinzufügen ultradünner drahtloser Sensormodule zu langen robotischen Werkzeugen können wir Bereiche erreichen und operieren, wo unsere Hände nicht hinkommen, und potenziell die Gewebesteifigkeit ‚fühlen‘, ohne offene Chirurgie zu benötigen“, sagte Dr. Lim Chwee Ming vom Singapore General Hospital.