Ultra-dünne, batterielose MXene-Dehnungssensoren revolutionieren industrielle Roboterarme

Hergestellt aus flexiblen, dehnbaren und elektrisch leitfähigen Nanomaterialien namens MXene, wurden neuartige Dehnungssensoren entwickelt, die ultra-dünn, batterielos sind und Daten drahtlos übertragen können. Durch die Kontrolle der Oberflächentexturen von MXene konnten Forscher die Sensorleistung von Dehnungssensoren für verschiedene weiche Exoskelette steuern. Die entwickelten Sensor-Designprinzipien werden die Leistung von elektronischen Häuten und weichen Robotern signifikant verbessern.

Die Sensoren können wie eine elektronische Haut auf einen Roboterarm aufgebracht werden, um subtile Bewegungen zu messen, während sie gedehnt werden. Wenn sie entlang der Gelenke von Roboterarmen platziert werden, ermöglichen die Sensoren dem System, präzise zu verstehen, wie stark sich die Roboterarme bewegen und ihre aktuelle Position relativ zum Ruhezustand. Aktuelle Standard-Dehnungssensoren verfügen nicht über die erforderliche Genauigkeit und Empfindlichkeit, um diese Funktion auszuführen.

Ein Bereich, in dem die Dehnungssensoren gut eingesetzt werden könnten, ist die Präzisionsfertigung, wo Roboterarme verwendet werden, um komplexe Aufgaben wie die Herstellung empfindlicher Produkte wie Mikrochips 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. Die ultra-empfindlichen Dehnungssensoren werden die Gesamtsicherheit von Roboterarmen verbessern, indem sie automatisiertes Feedback zu präzisen Bewegungen mit einem Fehlerbereich unter einem Grad liefern und die Notwendigkeit externer Kameras beseitigen, da sie Positionierung und Bewegung ohne visuelle Eingabe verfolgen können.

Der technologische Durchbruch ist die Entwicklung eines Fertigungsprozesses, der es Forschern ermöglicht, hochgradig anpassbare ultra-empfindliche 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 Sensorqualitäten beibehält, und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis bedeutet größere Genauigkeit, da der Sensor zwischen subtilen Vibrationen und winzigen Bewegungen des Roboterarms unterscheiden kann.

Dieser Fertigungsprozess ermöglicht es dem Team, ihre Sensoren auf jedes Arbeitsfenster zwischen 0 und 900 Prozent anzupassen, während sie hohe Empfindlichkeit und Signal-Rausch-Verhältnis beibehalten. Standard-Sensoren erreichen typischerweise einen Bereich von bis zu 100 Prozent. Durch Kombination mehrerer Sensoren mit unterschiedlichen Arbeitsfenstern können Forscher einen einzelnen ultra-empfindlichen Sensor erstellen, der sonst unmöglich zu erreichen wäre.

Die fortschrittlichen flexiblen Sensoren geben weichen tragbaren Robotern eine wichtige Fähigkeit bei der Erfassung der motorischen Leistung eines Patienten, insbesondere in Bezug auf ihren Bewegungsumfang. Dies wird letztendlich ermöglichen, dass der weiche Roboter die Fähigkeiten eines Patienten besser versteht und die notwendige Unterstützung für ihre Handbewegungen bietet.

Das Team arbeitet auch daran, die Sensorfähigkeiten in weichen Exoskelett-Robotern für Rehabilitation und in chirurgischen Robotern für transorale Roboterchirurgie zu verbessern. Krebsgewebe fühlt sich beispielsweise anders an als normales, gesundes Gewebe. Durch Hinzufügen ultra-dünner drahtloser Sensormodule zu langen robotischen Werkzeugen können Chirurgen Bereiche erreichen und operieren, wo ihre Hände nicht hinkommen, und potenziell die Gewebesteifigkeit „fühlen“, ohne offene Chirurgie zu benötigen.