Ультратонкие безбатарейные датчики деформации для промышленных роботов-манипуляторов

Изготовленные с использованием гибких, растяжимых и электропроводящих наноматериалов, называемых MXenes, были разработаны новые датчики деформации, которые являются ультратонкими, не требуют батарей и могут передавать данные по беспроводной сети. Управляя текстурами поверхности MXene, исследователи смогли контролировать характеристики датчиков деформации для различных мягких экзоскелетов. Разработанные принципы проектирования датчиков значительно повысят производительность электронных скинов и мягких роботов.

Датчики могут быть нанесены на роботизированную руку, как электронная кожа, чтобы измерять тонкие движения по мере их растяжения. При размещении вдоль суставов манипуляторов датчики позволяют системе точно понимать, насколько двигаются манипуляторы и их текущее положение относительно состояния покоя. Современные стандартные тензометрические датчики не обладают необходимой точностью и чувствительностью для выполнения этой функции.

Одной из областей, где датчики деформации могут найти хорошее применение, является точное производство, где роботы-манипуляторы используются для выполнения сложных задач, таких как изготовление хрупких продуктов, таких как микрочипы. Обычные автоматизированные манипуляторы, используемые в прецизионном производстве, требуют внешних камер, направленных на них под разными углами, чтобы помочь отслеживать их положение и движение. Сверхчувствительные датчики деформации помогут повысить общую безопасность роботизированных манипуляторов, обеспечивая автоматическую обратную связь о точных движениях с погрешностью менее одного градуса и устраняя необходимость во внешних камерах, поскольку они могут отслеживать позиционирование и движение без какого-либо визуального ввода.

Технологический прорыв заключается в разработке производственного процесса, который позволяет исследователям создавать сверхчувствительные датчики с широкими возможностями настройки и широким рабочим окном с высоким отношением сигнал/шум. Рабочее окно датчика определяет, насколько он может растягиваться, сохраняя при этом свои чувствительные качества, а высокое отношение сигнал/шум означает большую точность, поскольку датчик может различать тонкие вибрации и мельчайшие движения манипулятора.

Этот производственный процесс позволяет команде настраивать свои датчики на любое рабочее окно от 0 до 900 процентов, сохраняя при этом высокую чувствительность и соотношение сигнал/шум. Стандартные датчики обычно могут достигать диапазона до 100 процентов. Комбинируя несколько датчиков с разными рабочими окнами, исследователи могут создать единый сверхчувствительный датчик, который иначе было бы невозможно получить.

Усовершенствованные гибкие датчики дают мягким носимым роботам важные возможности для определения двигательных функций пациента, особенно с точки зрения их диапазона движений. В конечном итоге это позволит мягкому роботу лучше понять способности пациента и оказать необходимую помощь при движениях рук.

Команда также стремится улучшить возможности датчика в роботах с мягким экзоскелетом для реабилитации и в хирургических роботах для трансоральной роботизированной хирургии. Раковые ткани, например, ощущаются иначе, чем нормальные, здоровые ткани. Добавляя сверхтонкие модули беспроводных датчиков к длинным роботизированным инструментам, хирурги могут достигать и оперировать в областях, недоступных для их рук, и потенциально «чувствовать» жесткость тканей без необходимости открытой операции.