Capteurs de contrainte MXene ultra-minces révolutionnaires améliorent la précision et la sécurité des bras robotiques

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 nanométriques qui sont 10 fois plus sensibles lors de la mesure de mouvements minuscules, comparés à la technologie existante.

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

Le Professeur Assistant Chen Po-Yen a expliqué : « La performance des capteurs de contrainte conventionnels a toujours été limitée par la nature des matériaux de détection, donc les utilisateurs avaient 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 MXenes, ce qui nous a permis de contrôler la performance de détection des capteurs de contrainte pour divers exosquelettes souples. Les principes de conception de capteur développés dans ce travail amélioreront significativement la performance des peaux électroniques et des robots souples. »

Un domaine où les nouveaux capteurs de contrainte pourraient être mis à bon escient est la fabrication de précision, où les bras robotiques sont utilisés pour effectuer des tâches complexes, comme la fabrication de produits fragiles comme les puces électroniques. Les capteurs peuvent être enduits sur un bras robotique comme une peau électronique pour mesurer des mouvements subtils quand ils sont étirés. Quand ils sont placés le long des articulations des bras, les capteurs de contrainte permettent au système de comprendre précisément combien les bras robotiques bougent et leur position actuelle par rapport à leur état de repos. Les capteurs de contrainte du commerce actuels n'ont pas la précision et la sensibilité requises pour effectuer cette fonction.

Les bras robotiques automatisés conventionnels utilisés dans la fabrication de précision nécessitent des caméras externes pointées vers eux sous différents angles pour aider à suivre leur positionnement et mouvement. Ces capteurs de contrainte ultra-sensibles aideront à améliorer la sécurité globale des bras robotiques en fournissant un retour automatisé sur les mouvements précis avec une marge d'erreur en dessous d'un degré. Cela éliminera le besoin de caméras externes, car ils 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/bruit élevés.

La fenêtre de travail d'un capteur détermine combien il peut s'étirer tout en maintenant ses qualités de détection. Aussi, avoir un rapport signal/bruit élevé signifie une plus grande précision, ce qui permet au capteur de différencier entre des vibrations subtiles et des mouvements minuscules du bras robotique.

Ce processus de production permet à l'équipe de personnaliser leurs capteurs à n'importe quelle fenêtre de travail entre 0 et 900 pour cent, tout en maintenant une haute sensibilité et un haut rapport signal/bruit. Les capteurs standards peuvent généralement atteindre une gamme de seulement jusqu'à 100 pour cent. En combinant plusieurs capteurs avec différentes fenêtres de travail, les chercheurs peuvent créer un seul capteur ultra-sensible qui serait autrement impossible à atteindre.

L'équipe de recherche a développé un prototype fonctionnel de l'application de capteurs pour les exosquelettes souples dans un gant de réhabilitation robotique souple. Les capteurs confèrent la capacité de détecter la performance motrice d'un patient, particulièrement en termes de leur 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 main.

L'équipe travaille actuellement avec l'Hôpital Général de Singapour pour explorer leur application dans les robots exosquelettes souples pour la réhabilitation et dans les robots chirurgicaux pour la chirurgie robotique transorale. « En tant que chirurgien, nous comptons 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-minces aux outils robotiques longs, nous pouvons atteindre et opérer dans des zones où nos mains ne peuvent pas atteindre et potentiellement "sentir" la raideur du tissu sans avoir besoin de chirurgie ouverte », a dit le Dr Lim Chwee Ming de l'Hôpital Général de Singapour.