Nouvelle peau électronique avec poils artificiels détecte et anticipe le toucher multidirectionnel

Une équipe de recherche de Chemnitz et Dresde a franchi une étape majeure dans le développement de peau électronique sensible (e-skin) avec des poils artificiels intégrés. Les e-skins sont des systèmes électroniques flexibles qui tentent d'imiter la sensibilité de leurs homologues de peau humaine naturelle. Les applications vont du remplacement de peau et des capteurs médicaux sur le corps à la peau artificielle pour robots humanoïdes et androïdes.

De minuscules poils de surface peuvent percevoir et anticiper la plus infime sensation tactile sur la peau humaine et même reconnaître la direction du toucher. Les systèmes modernes de peau électronique manquent de cette capacité et ne peuvent pas rassembler cette information critique sur leur environnement.

L'équipe de recherche a exploré une nouvelle voie pour développer des capteurs de champ magnétique 3D extrêmement sensibles et dépendants de la direction qui peuvent être intégrés dans un système e-skin (matrice active). L'équipe a utilisé une approche complètement nouvelle pour la miniaturisation et l'intégration de réseaux de dispositifs 3D et a fait un grand pas 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 arrangement 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 les méthodes de fabrication microélectroniques établies. »

Le cœur du système de capteur 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 de champs magnétiques. Ils sont actuellement utilisés, par exemple, comme capteurs de vitesse dans les voitures ou pour déterminer la position et l'angle de composants mobiles dans une variété de machines.

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Pour développer le système de capteur hautement compact, les chercheurs ont profité du soi-disant « processus micro-origami ». Ce processus est utilisé pour plier les composants de capteur AMR en architectures tridimensionnelles qui peuvent résoudre le vecteur de champ magnétique en trois dimensions.

Le micro-origami permet à un grand nombre de composants microélectroniques de tenir dans un petit espace et de les organiser 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 c'est merveilleux de voir comment le plein potentiel de cette technologie élégante peut maintenant être exploité pour de nouvelles applications microélectroniques », a déclaré le Prof. Oliver G. Schmidt.

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

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

Lorsque le poil est touché et se courbe, le mouvement et la position exacte de la racine magnétique peuvent être détectés par les capteurs magnétiques 3D sous-jacents. La matrice de capteurs n'est donc pas seulement capable d'enregistrer le mouvement nu du poil, mais détermine également la direction exacte du mouvement. Comme avec la vraie peau humaine, chaque poil sur une e-skin devient une unité de capteur complète qui peut percevoir et détecter les changements dans les environs.

Le couplage magnéto-mécanique entre le capteur magnétique 3D et la racine magnétique du poil en temps réel fournit un nouveau type de perception tactile sensible. Cette capacité est d'une grande importance lorsque les humains et les robots travaillent en étroite collaboration. Par exemple, le robot peut sentir les interactions avec un compagnon humain bien à l'avance avec de nombreux détails juste avant qu'un contact intentionnel ou une collision non intentionnelle ne soit sur le point de se produire.