Een onderzoeksteam uit Chemnitz en Dresden heeft een grote stap voorwaarts gezet in de ontwikkeling van een gevoelige elektronische huid (e-skin) met geïntegreerde kunstharen. E-skins zijn flexibele elektronische systemen die de gevoeligheid van hun natuurlijke tegenhangers van de menselijke huid proberen na te bootsen. Toepassingen variëren van huidvervanging en medische sensoren op het lichaam tot kunstmatige huid voor humanoïde robots en androïden. Kleine haartjes op het oppervlak kunnen de geringste tactiele sensatie op de menselijke huid waarnemen en erop anticiperen en zelfs de richting van aanraking herkennen. Moderne elektronische huidsystemen hebben deze mogelijkheid niet en kunnen deze kritische informatie over hun omgeving niet verzamelen.
Een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, hoofd van het lectoraat Material Systems for Nanoelectronics en wetenschappelijk directeur van het Research Center for Materials, Architectures and Integration of Nanomembranes (MAIN) aan de Chemnitz University of Technology, heeft een nieuwe weg verkend om extreem gevoelige en richtingsafhankelijke 3D-magneetveldsensoren te ontwikkelen die kunnen worden geïntegreerd in een e-skin-systeem (actieve matrix). Het team gebruikte een volledig nieuwe benadering voor miniaturisatie en integratie van 3D-apparaatarrays en maakte een grote stap in de richting van het nabootsen van de natuurlijke aanraking van de menselijke huid. De onderzoekers hebben hun resultaten gerapporteerd in het huidige nummer van het tijdschrift Nature Communications.
Christian Becker, PhD-student in de onderzoeksgroep van Prof. Schmidt bij MAIN en eerste auteur van de studie zegt: “Onze aanpak maakt een nauwkeurige ruimtelijke rangschikking van functionele sensorelementen in 3D mogelijk die in massaproductie kunnen worden genomen in een parallel productieproces. Dergelijke sensorsystemen zijn uiterst moeilijk te genereren door gevestigde micro-elektronische fabricagemethoden.”
Nieuwe aanpak: elegante origami-technologie integreert 3D-sensoren met micro-elektronische circuits
De kern van het door het onderzoeksteam gepresenteerde sensorsysteem is een zogenaamde anisotrope magnetoweerstand (AMR) sensor. Met een AMR-sensor kunnen veranderingen in magnetische velden nauwkeurig worden bepaald. AMR-sensoren worden momenteel bijvoorbeeld gebruikt als snelheidssensoren in auto’s of om de positie en hoek van bewegende onderdelen in verschillende machines te bepalen.
Om het zeer compacte sensorsysteem te ontwikkelen, maakten de onderzoekers gebruik van het zogenaamde ‘micro-origami-proces’. Dit proces wordt gebruikt om AMR-sensorcomponenten te vouwen tot driedimensionale architecturen die het magnetische vectorveld in drie dimensies kunnen oplossen. Micro-origami zorgt ervoor dat een groot aantal micro-elektronische componenten in een kleine ruimte passen en ze rangschikken in een geometrie die niet haalbaar is met conventionele microfabricagetechnologieën. “Micro-origami-processen werden meer dan 20 jaar geleden ontwikkeld en het is prachtig om te zien hoe het volledige potentieel van deze elegante technologie nu kan worden benut voor nieuwe micro-elektronische toepassingen”, zegt prof. Oliver G. Schmidt.
Het onderzoeksteam integreerde de 3D micro-origami magnetische sensorarray in een enkele actieve matrix, waar elke individuele sensor gemakkelijk kan worden geadresseerd en uitgelezen door micro-elektronische schakelingen. “De combinatie van actieve-matrix magnetische sensoren met zelfassemblerende micro-origami-architecturen is een volledig nieuwe benadering om 3D-detectiesystemen met hoge resolutie te miniaturiseren en te integreren”, zegt Dr. Daniil Karnaushenko, die een beslissende bijdrage leverde aan het concept, ontwerp en implementatie van het project.
Kleine haartjes anticiperen en nemen de richting van aanraking in realtime waar
Het onderzoeksteam is erin geslaagd de 3D-magneetveldsensoren met magnetisch gewortelde fijne haartjes te integreren in een kunstmatige e-skin. De e-skin is gemaakt van een elastomeer materiaal waarin de elektronica en sensoren zijn ingebed – vergelijkbaar met een organische huid, die is verweven met zenuwen.
Wanneer het haar wordt aangeraakt en gebogen, kan de beweging en exacte positie van de magnetische wortel worden gedetecteerd door de onderliggende 3D magnetische sensoren. De sensormatrix is dus niet alleen in staat om de blote beweging van het haar te registreren, maar bepaalt ook de exacte richting van de beweging. Net als bij de echte menselijke huid, wordt elke haar op een e-skin een volledige sensoreenheid die veranderingen in de omgeving kan waarnemen en detecteren. De magneto-mechanische koppeling tussen 3D magnetische sensor en magnetische haarwortel in realtime zorgt voor een nieuw type aanraakgevoelige waarneming door een e-skin-systeem. Deze mogelijkheid is van groot belang wanneer mens en robot nauw samenwerken. Zo kan de robot interacties met een menselijke metgezel ruim van tevoren met veel details waarnemen net voordat een beoogd contact of een onbedoelde botsing op het punt staat plaats te vinden.
Verhaalbron:
Materialen geleverd door Technische Universiteit Chemnitz. Opmerking: inhoud kan worden bewerkt voor stijl en lengte.
lees het gehele artikel bij de bron
————————————————– ———————————–
samenvatting:
Wetenschappers hebben een nieuwe benadering ontwikkeld voor miniaturisatie van zachte ultracompacte en sterk geïntegreerde sensoreenheden voor directionele tactiele gevoeligheid in e-skin-systemen.
Datum van publicatie: 28 april 2022
Bron: Bijzonder | Vreemd en ongebruikelijk nieuws — ScienceDaily
————————————————– ———————————–