Революционные ультратонкие MXene сенсоры деформации повышают точность и безопасность роботизированных манипуляторов

Исследовательская команда из Национального университета Сингапура (NUS) сделала первый шаг к улучшению безопасности и точности промышленных роботизированных манипуляторов, разработав новый ряд наноматериальных сенсоров деформации, которые в 10 раз чувствительнее при измерении минимальных движений по сравнению с существующей технологией.

Сфабрикованные с использованием гибких, растяжимых и электрически проводимых наноматериалов, называемых MXenes, эти новые сенсоры деформации ультратонкие, безбатарейные и могут передавать данные беспроводно. С этими желательными свойствами новые сенсоры деформации потенциально могут использоваться для широкого спектра применений.

Профессор Чен По-Ен объяснил: «Производительность конвенциональных сенсоров деформации всегда была ограничена природой сенсорных материалов, поэтому пользователи имели ограниченные варианты для кастомизации сенсоров для конкретных приложений. В этой работе мы разработали простую стратегию для контроля поверхностных текстур MXenes, что позволило нам контролировать сенсорную производительность сенсоров деформации для различных мягких экзоскелетов. Принципы дизайна сенсора, разработанные в этой работе, значительно улучшат производительность электронных кож и мягких роботов».

Одна область, где новые сенсоры деформации могут быть хорошо использованы — точное производство, где роботизированные манипуляторы используются для выполнения сложных задач, таких как фабрикация хрупких продуктов вроде микросхем. Сенсоры могут быть покрыты на роботизированный манипулятор как электронная кожа для измерения тонких движений по мере их растяжения. Когда они размещены вдоль суставов манипуляторов, сенсоры деформации позволяют системе точно понимать, насколько движутся роботизированные манипуляторы и их текущее положение относительно состояния покоя. Текущие готовые сенсоры деформации не имеют требуемой точности и чувствительности для выполнения этой функции.

Конвенциональные автоматизированные роботизированные манипуляторы, используемые в точном производстве, требуют внешних камер, направленных на них с разных углов, чтобы помочь отслеживать их позиционирование и движение. Эти ультрачувствительные сенсоры деформации помогут улучшить общую безопасность роботизированных манипуляторов, предоставляя автоматическую обратную связь о точных движениях с погрешностью менее одной степени. Это устранит необходимость во внешних камерах, так как они могут отслеживать позиционирование и движение без какого-либо визуального ввода.

Технологический прорыв — разработка производственного процесса, который позволил исследователям создавать высоко настраиваемые ультрачувствительные сенсоры на широком рабочем окне с высокими отношениями сигнал/шум.

Рабочее окно сенсора определяет, насколько он может растягиваться, сохраняя свои сенсорные качества. Также наличие высокого отношения сигнал/шум означает большую точность, что позволяет сенсору отличать тонкие вибрации и минимальные движения роботизированного манипулятора.

Этот производственный процесс позволяет команде кастомизировать свои сенсоры к любому рабочему окну между 0 и 900 процентами, сохраняя высокую чувствительность и высокое отношение сигнал/шум. Стандартные сенсоры обычно могут достичь диапазона только до 100 процентов. Комбинируя несколько сенсоров с разными рабочими окнами, исследователи могут создать единый ультрачувствительный сенсор, который иначе был бы невозможен достичь.

Исследовательская команда разработала рабочий прототип применения сенсоров для мягких экзоскелетов в мягкой роботизированной реабилитационной перчатке. Сенсоры придают способность чувствовать моторную производительность пациента, особенно в терминах их диапазона движения. Это в конечном счете позволит мягкому роботу лучше понимать способности пациента и предоставлять необходимую помощь их движениям рук.

Команда в настоящее время работает с Сингапурской генеральной больницей для изучения их применения в мягких экзоскелетных роботах для реабилитации и в хирургических роботах для трансоральной роботизированной хирургии. «Как хирург, мы полагаемся не только на зрение, но и на осязание, чтобы чувствовать область внутри тела, на которой мы оперируем. Раковые ткани, например, ощущаются иначе от нормальных здоровых тканей. Добавляя ультратонкие беспроводные сенсорные модули к длинным роботизированным инструментам, мы можем достигать и оперировать в областях, где наши руки не могут достичь и потенциально «ощущать» жесткость ткани без необходимости открытой хирургии», — сказал доктор Лим Чве Мин из Сингапурской генеральной больницы.