Aanraaksensoren die zelfs geen direct contact nodig hebben, bieden een nieuwe gevoeligheid voor 3D-structuurherkenning door robots en en draadloze gegevensoverdracht.
Een nieuw type aanraaksensor voor robotica en andere biomimetische (bionische) toepassingen is zo gevoelig dat het werkt zonder direct contact tussen de sensor en de objecten die worden gedetecteerd. De sensor detecteert interferentie in het elektrische veld tussen een object en de sensor, tot op 100 millimeter van het object. De onderzoekers van de Qingdao Universiteit in China, met medewerkers elders in China en Zuid-Korea, beschrijven hun innovatie in het tijdschrift Science and Technology of Advanced Materials.
Zesde zintuig
Elektronische huiden zijn een cruciaal element geworden in bionische robots, waardoor ze snel externe stimuli kunnen detecteren en erop kunnen reageren. Hierdoor kunnen robotsystemen de vorm van een object analyseren en, indien nodig, ook oppakken en manipuleren. De sensoren in de meeste huidige systemen vertrouwen op directe aanraking die een fysieke vervorming van een contactlaag veroorzaakt, wat leidt tot veranderingen in de elektrische capaciteit. Helaas beperkt de uniformiteit van de respons op verschillende gebieden de gevoeligheid en algemene mogelijkheden van dergelijke systemen.
“Om een grotere gevoeligheid en veelzijdigheid te bereiken, hebben we nieuwe composietfilms ontwikkeld met verrassende en zeer bruikbare elektrische eigenschappen,” zegt Xinlin Li van het team van de Universiteit van Qingdao.
Verrassend composiet
Het meest verrassende aspect ontstond toen de onderzoekers twee materialen combineerden met een hoge diëlektrische constante – een maat voor hun reactie op elektrische velden. Dit composiet had een onverwacht lage diëlektrische constante, een contra-intuïtief resultaat dat bij uitstek geschikt is om een sensor te maken die gevoeliger is voor elektrische velden. De composiet bestaat uit kleine hoeveelheden grafietkoolstofnitride toegevoegd aan polydimethylsiloxaan. Het kan worden gemaakt en verwerkt met een specifieke 3D-printmethode, dispensing printing genaamd, die fijne controle biedt over de structuur en het patroon van de geprinte hoogviskeuze inkt. Het team gebruikte dit om een raster te maken dat objecten kan waarnemen op een afstand tussen 5 en 100 millimeter van het oppervlak van het object. Ze testten de mogelijkheden van het raster door de vingers van de onderzoekers te gebruiken als de objecten die werden gedetecteerd, terwijl ze dicht bij het raster kwamen zonder echt contact te maken.
“De prestaties waren uitstekend, in termen van gevoeligheid, reactiesnelheid en robuuste stabiliteit gedurende vele gebruikscycli,” zegt Li. “Dit opent nieuwe mogelijkheden op het gebied van draagbare objecten en elektronische huid.” Ze voegt eraan toe dat het geschikt is voor het maken van de fysiek flexibele sensoren die nodig zijn voor draagbare technologieën. Deze zouden kunnen worden toegepast voor medische monitoring, of meer algemene toepassingen in het zich snel ontwikkelende ‘internet der dingen’ (IoT), waarbij allerlei apparaten op afstand worden bestuurd.”
Door het sensorraster op te nemen in een printplaat konden de verzamelde gegevens worden verzonden via de 4G-netwerken die veel worden gebruikt door mobiele telefoons. Het team is nu van plan om de technologie te verfijnen om deze geschikt te maken voor massaproductie. Ze willen ook verdere mogelijkheden onderzoeken die verder gaan dan alleen het detecteren van vorm en beweging. Verschillende eenheden in de sensorenreeks kunnen bijvoorbeeld sequentieel reageren, wat de mogelijkheid biedt om mens-computer interactie te realiseren, zoals gebarenherkenning. De prestaties van de sensoren in het contactloze en contactloze systeem weerspiegelen ook het potentieel in menselijke bewegingsdetectie, zoals het vermijden van obstakels en het bewaken van het looppatroon, wat zou kunnen worden toegepast in intelligente medische zorg.
