Capteurs de contrainte ultra-minces et très sensibles

Une équipe de recherche de l'Université nationale de Singapour (NUS) a fait un premier pas vers l'amélioration de la sécurité et de la précision des bras robotiques industriels en développant une nouvelle gamme de capteurs de contrainte en nanomatériaux qui sont 10 fois plus sensibles lors de la mesure de mouvements infimes, par rapport à la technologie existante .

Fabriqués à l'aide de nanomatériaux flexibles, extensibles et électriquement conducteurs appelés MXenes, ces nouveaux capteurs de contrainte sont ultra-minces, sans pile et peuvent transmettre des données sans fil. Avec ces propriétés souhaitables, les nouveaux capteurs de contrainte peuvent potentiellement être utilisés pour une large gamme d'applications.

Le professeur adjoint Chen Po-Yen a expliqué :« Les performances des capteurs de contrainte conventionnels ont toujours été limitées par la nature des matériaux de détection, de sorte que les utilisateurs ont eu des options limitées pour personnaliser les capteurs pour des applications spécifiques. Dans ce travail, nous avons développé une stratégie facile pour contrôler les textures de surface des MXènes, ce qui nous a permis de contrôler les performances de détection des capteurs de contrainte pour divers exosquelettes mous. Les principes de conception de capteurs développés dans ce travail amélioreront considérablement les performances des skins électroniques et des robots mous. »

Un domaine où les nouveaux capteurs de contrainte pourraient être utilisés à bon escient est la fabrication de précision, où des bras robotiques sont utilisés pour effectuer des tâches complexes, telles que la fabrication de produits fragiles comme les micropuces. Les capteurs peuvent être appliqués sur un bras robotique comme une peau électronique pour mesurer les mouvements subtils lorsqu'ils sont étirés. Lorsqu'ils sont placés le long des articulations des bras, les capteurs de contrainte permettent au système de comprendre précisément le mouvement des bras robotiques et leur position actuelle par rapport à leur état de repos. Les capteurs de contrainte actuels disponibles dans le commerce n'ont pas la précision et la sensibilité requises pour exécuter cette fonction.

Les bras robotiques automatisés conventionnels utilisés dans la fabrication de précision nécessitent des caméras externes dirigées vers eux sous différents angles pour aider à suivre leur positionnement et leur mouvement. Ces capteurs de contrainte ultra-sensibles contribueront à améliorer la sécurité globale des bras robotiques en fournissant une rétroaction automatisée sur des mouvements précis avec une marge d'erreur inférieure à un degré. Cela éliminera le besoin de caméras externes, car elles peuvent suivre le positionnement et le mouvement sans aucune entrée visuelle.

La percée technologique est le développement d'un processus de production qui a permis aux chercheurs de créer des capteurs ultra-sensibles hautement personnalisables sur une large fenêtre de travail avec des rapports signal sur bruit élevés.

La fenêtre de travail d'un capteur détermine son étirement tout en conservant ses qualités de détection. De plus, avoir un rapport signal/bruit élevé signifie une plus grande précision, ce qui permet au capteur de faire la différence entre les vibrations subtiles et les mouvements infimes du bras robotique.

Ce processus de production permet à l'équipe de personnaliser ses capteurs pour n'importe quelle fenêtre de travail entre 0 et 900 %, tout en maintenant une sensibilité élevée et un rapport signal/bruit élevé. Les capteurs standard peuvent généralement atteindre une plage allant jusqu'à 100 %. En combinant plusieurs capteurs avec différentes fenêtres de travail, les chercheurs peuvent créer un seul capteur ultra-sensible qui serait autrement impossible à réaliser.

L'équipe de recherche a développé un prototype fonctionnel de l'application de capteurs pour les exosquelettes mous dans un gant de rééducation robotique souple. Les capteurs permettent de détecter les performances motrices d'un patient, en particulier en termes d'amplitude de mouvement. Cela permettra finalement au robot souple de mieux comprendre la capacité du patient et de fournir l'assistance nécessaire à ses mouvements de la main.

L'équipe travaille actuellement avec le Singapore General Hospital pour explorer leur application dans des robots exosquelettes mous pour la rééducation et dans des robots chirurgicaux pour la chirurgie robotique transorale. "En tant que chirurgien, nous nous appuyons non seulement sur notre vue, mais aussi sur notre sens du toucher, pour sentir la zone à l'intérieur du corps sur laquelle nous opérons. Les tissus cancéreux, par exemple, se sentent différents des tissus normaux et sains. En ajoutant des modules de détection sans fil ultra-fins à de longs outils robotiques, nous pouvons atteindre et opérer dans des zones où nos mains ne peuvent pas atteindre et potentiellement "sentir" la rigidité des tissus sans avoir besoin d'une chirurgie ouverte », a déclaré le Dr Lim Chwee Ming de Singapour. Hôpital général.