Electronic Skin anticipe et perçoit le toucher dans différentes directions pour la première fois

Une équipe de recherche de Chemnitz et de Dresde a fait un grand pas en avant dans le développement de la peau électronique sensible (e-skin) avec poils artificiels intégrés. Les peaux électroniques sont des systèmes électroniques flexibles qui tentent d'imiter la sensibilité de leurs homologues naturels de la peau humaine. Les applications vont du remplacement de la peau et des capteurs médicaux sur le corps à la peau artificielle pour les robots humanoïdes et les androïdes.

De minuscules poils de surface peuvent percevoir et anticiper la moindre sensation tactile sur la peau humaine et même reconnaître la direction du toucher. Les systèmes cutanés électroniques modernes n'ont pas cette capacité et ne peuvent pas recueillir ces informations critiques sur leur voisinage.

L'équipe de recherche a exploré une nouvelle voie pour développer des capteurs de champ magnétique 3D extrêmement sensibles et directionnels pouvant être intégrés dans un système e-skin (matrice active). L'équipe a utilisé une toute nouvelle approche pour la miniaturisation et l'intégration des matrices de dispositifs 3D et a franchi une étape majeure vers l'imitation du toucher naturel de la peau humaine. Les chercheurs ont rapporté leurs résultats dans la revue Nature Communications.

Christian Becker, premier auteur de l'étude, a déclaré :« Notre approche permet un agencement spatial précis d'éléments de capteurs fonctionnels en 3D qui peuvent être produits en série dans un processus de fabrication parallèle. De tels systèmes de capteurs sont extrêmement difficiles à générer par des méthodes de fabrication microélectroniques établies. »

Le cœur du système de capteurs présenté par l'équipe de recherche est un capteur à magnétorésistance anisotrope (AMR). Un capteur AMR peut être utilisé pour déterminer avec précision les changements dans les champs magnétiques. Ils sont actuellement utilisés, par exemple, comme capteurs de vitesse dans les voitures ou pour déterminer la position et l'angle des composants mobiles dans une variété de machines.

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Pour développer le système de capteur très compact, les chercheurs ont profité du processus dit de « micro-origami ». Ce processus est utilisé pour replier les composants du capteur AMR dans des architectures tridimensionnelles capables de résoudre le champ vectoriel magnétique en trois dimensions.

Le micro-origami permet à un grand nombre de composants microélectroniques de s'insérer dans un petit espace et de les disposer dans une géométrie qui n'est pas réalisable par les technologies de microfabrication conventionnelles. "Les processus de micro-origami ont été développés il y a plus de 20 ans, et il est merveilleux de voir comment le plein potentiel de cette technologie élégante peut maintenant être exploité pour de nouvelles applications microélectroniques", a déclaré le professeur Oliver G. Schmidt.

L'équipe de recherche a intégré le réseau de capteurs magnétiques micro-origami 3D dans une seule matrice active, où chaque capteur individuel peut être facilement adressé et lu par des circuits microélectroniques. "La combinaison de capteurs magnétiques à matrice active avec des architectures de micro-origami à assemblage automatique est une toute nouvelle approche pour miniaturiser et intégrer des systèmes de détection 3D haute résolution", a déclaré le Dr Daniil Karnaushenko, qui a contribué de manière décisive au concept, à la conception et à la conception. mise en œuvre du projet.

L'équipe de recherche a réussi à intégrer les capteurs de champ magnétique 3D avec des poils fins magnétiquement enracinés dans une peau artificielle. L'e-skin est fait d'un matériau élastomère dans lequel l'électronique et les capteurs sont intégrés - semblable à la peau organique, qui est entrelacée de nerfs.

Lorsque les cheveux sont touchés et pliés, le mouvement et la position exacte de la racine magnétique peuvent être détectés par les capteurs magnétiques 3D sous-jacents. La matrice de capteurs est donc non seulement capable d'enregistrer le simple mouvement des cheveux, mais également de déterminer la direction exacte du mouvement. Comme pour la vraie peau humaine, chaque poil sur une peau électronique devient une unité de capteur complète qui peut percevoir et détecter les changements dans le voisinage.

Le couplage magnéto-mécanique entre le capteur magnétique 3D et la racine magnétique des cheveux en temps réel offre un nouveau type de perception tactile. Cette capacité est d'une grande importance lorsque les humains et les robots travaillent en étroite collaboration. Par exemple, le robot peut détecter les interactions avec un compagnon humain bien à l'avance avec de nombreux détails juste avant qu'un contact intentionnel ou une collision involontaire ne se produise.