211service.com
Elektrische huid die het echte ding evenaart
De tactiele gevoeligheid van de menselijke huid is moeilijk na te bootsen, vooral op grote, flexibele oppervlakken. Maar twee Californische onderzoeksgroepen hebben drukgevoelige apparaten gemaakt die de stand van de techniek aanzienlijk verbeteren.
Gevoelige huid: Een nieuwe tactiele sensor kan de zachte aanraking van een neerkomend insect detecteren.
Een daarvan, gemaakt door onderzoekers van Stanford University, is gebaseerd op organische elektronica en is 1000 keer gevoeliger dan de menselijke huid. De tweede, gemaakt door onderzoekers van de University of California, Berkeley, maakt gebruik van geïntegreerde arrays van nanodraadtransistors en vereist heel weinig stroom. Beide apparaten zijn flexibel en kunnen over grote oppervlakken worden geprint; ze worden deze week beschreven in aparte artikelen in het tijdschrift Natuurmaterialen .
Zeer gevoelige oppervlakken kunnen robots helpen delicate objecten op te pakken zonder ze te breken, protheses een gevoel van aanraking geven en chirurgen meer controle geven over instrumenten die worden gebruikt voor minimaal invasieve chirurgie. Ons doel is om de menselijke huid na te bootsen, zegt Zhenan Bao , hoogleraar chemische technologie aan de Stanford. De menselijke huid reageert snel op druk en kan objecten zo klein als een zandkorrel en licht als een insect detecteren.
De kern van Bao's apparaat bestaat uit een helder siliciumhoudend polymeer genaamd PDMS. Het vermogen van dit materiaal om lading op te slaan is direct gerelateerd aan de dikte. Een paar jaar geleden hebben onderzoekers onder leiding van Takao Someya aan de Universiteit van Tokyo profiteerde van deze eigenschap door PDMS te gebruiken als de isolerende laag in flexibele organische transistors die als druksensoren fungeerden. Maar deze sensoren waren beperkt: wanneer ze worden gecomprimeerd, veranderen PDMS-moleculen van conformatie en het kost tijd voordat ze terugkeren naar hun oorspronkelijke staat.
Bao loste dit probleem op door het polymeermateriaal van een patroon te voorzien met reeksen micropilaren die opstaan van het aanraakbare oppervlak. Door dit ontwerp kan het materiaal buigen en snel terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm, waardoor het mogelijk is om snel achter elkaar drukmetingen uit te voeren. De microstructurering verbetert ook de gevoeligheid van het apparaat. De zachtste druk die de menselijke huid kan detecteren is ongeveer één kilopascal; De apparaten van Bao kunnen drukken detecteren die 1000 keer zachter zijn.
Deze benadering kan worden gebruikt om flexibele materialen te maken met goedkope printtechnieken, maar het resulterende apparaat vereist hoge spanningen om te werken. Ali Javey , hoogleraar elektrotechniek en informatica aan de University of California, Berkeley, heeft tactiele sensoren met laag vermogen gebouwd op basis van arrays van anorganische nanodraadtransistors. De transistors zijn gerangschikt onder en verbonden met een laag van een in de handel verkrijgbaar geleidend rubber dat koolstofnanodeeltjes bevat. Wanneer het rubber wordt samengedrukt, verandert de elektrische weerstand en dit kan worden gedetecteerd door de transistors. De nanodraden worden gebruikt als actieve elektronica om de tactiele sensor bovenop te laten lopen, legt hij uit.
Nanodraadtransistors bieden een laagspanningswerking en hoge schakelsnelheden op een flexibel oppervlak. Terwijl de apparaten van Bao ongeveer 20 volt nodig hebben om te werken, hebben die van Javey minder dan vijf volt nodig.
Javey heeft sensorarrays gemaakt die ongeveer 50 vierkante centimeter groot zijn. Bao heeft cirkelvormige arrays gebouwd met een diameter van iets meer dan 10 centimeter. Beide onderzoekers zeggen dat de grootte van hun apparaten alleen wordt beperkt door de tools in het laboratorium - in het geval van Javey, de grootte van de contactprinter en in het geval van Bao, de grootte van de mal die wordt gebruikt om het PDMS te vormen.
Kunsthuid kan grote voordelen bieden voor robotmanipulatie, zegt Matei Ciocarlie , onderzoekswetenschapper bij Willow Garage, een bedrijf voor persoonlijke robotica in Menlo Park, Californië. Wanneer een robot een object manipuleert, is dat object vaak verborgen voor camera's en andere sensoren, dus tactiele detectie kan nuttige feedback geven. Aanraakdetectie kan robots ook helpen obstakels te ontwijken en objecten in moeilijke omgevingen te lokaliseren. Kunstmatige huid moet grote, onregelmatige oppervlakken van de robot kunnen bedekken, voldoende gevoeligheid en dynamisch bereik hebben - allemaal zeer belangrijke uitdagingen die deze nieuwe technologieën beloven aan te pakken, zegt Ciocarlie.
De nieuwe elektronische skin-apparaten zijn een aanzienlijke vooruitgang in de stand van de techniek op het gebied van stroomverbruik en gevoeligheid, zegt John Boland , hoogleraar scheikunde aan het Trinity College van de Universiteit van Dublin. De echte vooruitgang is echter de verschuiving van een platte geometrie naar een flexibel apparaat dat kan worden gebruikt om iets in de vorm van een menselijke vinger te maken, zegt hij.
Chirurgische hulpmiddelen die zijn voorzien van zeer gevoelige tactiele sensoren, kunnen artsen betere controle geven over hoeveel kracht ze gebruiken tijdens minimaal invasieve operaties. En een flexibele elektronische huid met een groot oppervlak zou zich kunnen aanpassen aan de rondingen van toekomstige protheses. De protheses van vandaag zijn ruw - ze kunnen begrijpen, maar geven geen tactiele feedback, merkt Boland op.