Uusia ulottuvuuksia antureille

Viime aikoina tutkijat ovat kehitelleet uusia antureita lasille, tarkalle kosketukselle ja joustavalle venytykselle.

Valoilmaisimen integroiminen lasiin voi johtaa "älylasin" tai automaattisilla tunnistusominaisuuksilla varustetun lasin kaupalliseen kehittämiseen. Pehmeän anturitekniikan ongelmana on ollut suuri hystereesi ja venymäanturit on valmistettu tyypillisesti jäykistä materiaaleista.

Valoilmaisin lasiin

Valoon reagoivat anturit ohjaavat monia toimintoja, kuten automaattisten liukuovien avaaminen ja matkapuhelimen näytön kirkkauden automaattinen säätäminen eri valaistusolosuhteissa.

Penn State -tutkijaryhmän uudessa tutkimustyössä pyritään edelleen edistämään valodetektorien käyttöä integroimalla tekniikka kestävään Gorilla-lasiin, älypuhelinten näyttöihin käytettyyn materiaaliin, jota valmistaa Corning Incorporated.

Tutkijoiden mukaan valoilmaisimien integrointi itse lasiin voi johtaa "älylasin" tai automaattisilla tunnistusominaisuuksilla varustetun lasin kaupalliseen kehittämiseen. Älykkäällä lasilla on useita sovelluksia kuvantamisesta kehittyneeseen robotiikkaan.

Tehon käytön haasteen voittamiseksi tutkijat valitsivat molybdeenidisulfidin aktiivimateriaaliksi, joka sitten lämpökäsittelyllä sulatettiin lasiin. Seuraavaksi lasi ja päällyste kuvioitiin fotodetektoriksi tavanomaisella elektronisuihkulitografialla.

Molybdeenidisulfidisen fotodetektorien erittäin ohut runko mahdollistaa paremman sähköstaattisen ohjauksen ja varmistaa, että se voi toimia pienellä, alle 100 pikojoulen energiankulutuksella.

Teknologiaa voitaisiin soveltaa biolääketieteen kuvantamiseen, turvavalvontaan, ympäristötunnistukseen, optiseen viestintään, yönäköön, liikkeen havaitsemiseen ja törmäyksenestojärjestelmiin itsenäisille ajoneuvoille ja roboteille.

Joustava ja pienen hystereesin kosketusanturi

Erilainen reaaliaikainen terveydentilan seuranta ja tunnistaminen ja osin myös robotiikka edellyttävät pehmeää elektroniikkaa.

Toisin kuin jäykät rakenteet, joustavuus ja taipuisuus tekevät pehmeän elektroniikan suorituskyvystä vähemmän toistettavissa olevaa. Tämä vaihtelu tunnetaan hystereesinä, ja se on erityinen ongelma pehmeillä materiaaleilla.

Kontaktimekaniikan teorian ohjaamana NUS:n tutkijaryhmä keksi uuden anturimateriaalin, jolla on alle kolmen prosentin hystereesi.

Apulaisprofessori Benjamin Teen johtama tutkimusryhmän kehitti prosessin ohuiden metallikalvojen halkeiluttamiseksi renkaan muotoisiksi kuvioiksi joustavalle materiaalille (PDMS). Sitten tämä metalli/PDMS -kalvo integroitiin elektrodeilla ja substraateilla varustettuna pietsoresistiiviselle anturille.

Heidän keksintönsä, jonka nimi on Tactile Resistive Annularly Cracked E-Skin tai TRACE, on viisi kertaa parempi kuin perinteisillä pehmeillä materiaaleilla.

TRACE-anturien ryhmää voidaan mahdollisesti käyttää esimerkiksi robotiikassa jonkin pintarakenteen tunnistamiseksi tai puettavissa terveysteknologian laitteissa. Tutkijoiden pitemmän aikavälin tavoitteena on ennustaa sydän- ja verisuoniterveyttä pienen älykkään laastarin muodossa.

Tämä TRACE-anturi on askel eteenpäin kohti todellisuutta, koska tiedot, jotka se voi siepata pulssinopeuksille, on tarkempia ja se voidaan myös varustaa koneoppimisalgoritmeilla pintarakenteiden ennustamiseksi tarkemmin", professori Tee kertoo.

Osoitamme, että TRACE-anturit pystyvät tunnistamaan ja mittaamaan pulssiaallon nopeuden (PWV) ihoon kiinnitettynä. Lisäksi osoitamme, että nämä kosketusanturit ryhmäksi järjestettynä mahdollistivat nopean ja luotettavan yhden kosketuksen pintarakenteen luokittelun neuromorfisella koodauksella ja syvällisen oppimisen algoritmeilla.

Joustavia venymäantureita

Harvardin John A. Paulsonin teknillisen korkeakoulun ja Wyss instituutin tutkijat ovat kehittäneet erittäin herkän ja joustavan venymäanturin, joka voidaan upottaa tekstiileihin ja pehmeisiin robottijärjestelmiin.

Jotta pehmeät koneet pystyisivät reagoimaan älykkäästi ympäristöönsä, tarvitaan pehmeitä vaihtoehtoja venymäantureille. Korkearesoluutioisina ja alle viiden prosentin venymällä ne voivat avata lupaavia uusia ominaisuuksia pehmeissä järjestelmissä.

Se perustuu venymän välittämään kosketukseen anisotrooppisesti resistiivisissä rakenteissa (SCARS), joka on asetettu kahden esijännitetyn elastisen substraatin väliin.

Toisin kuin nykyiset erittäin herkät venymäanturit, jotka luottavat eksoottisiin materiaaleihin, kuten pii- tai kulta-nanolankoihin ja jäykkiin rakenteisiin tämä anturi ei vaadi erityisiä valmistustekniikoita eikä edes puhdastilaa. Se voidaan valmistaa käyttämällä mitä tahansa johtavaa materiaalia.

Tutkijat testasivat anturin joustavuutta puukottamalla sitä skalpellilla, lyömällä sitä vasaralla, ajamalla sen yli autolla ja heittämällä sen pesukoneeseen kymmenen kertaa. Anturi selvisi jokaisesta testistä ehjänä.

"Nämä joustavuuden ja mekaanisen kestävyyden ominaisuudet asettavat tämän anturin kokonaan uuteen leiriin", Araromi sanoi.

"Mutta toinen näkökohta, joka erottaa tämän tekniikan, on rakenneosien ja kokoonpanomenetelmien alhainen hinta. Tämä toivottavasti vähentää esteitä tämän tekniikan leviämiselle älykkäissä tekstiileissä ja muualla. "

Mekanismi perustuu muutoksiin ohmisessa kontaktissa venyvien kalvojen ympäröimien jäykkien, mikrorakenteisten, anisotrooppisesti johtavien mutkien välillä. Mekanismi saavuttaa korkean herkkyyden, jonka mittatekijät ovat yli 85 000, samalla kun se on mukautettavissa suuren lujuuden johtimien kanssa, mikä tuottaa anturit kimmoisiksi epäsuotuisiin kuormitusolosuhteisiin.

Tunnistusmekanismilla on myös suuri lineaarisuus sekä epäherkkyys taivutus- ja kiertymämuodostuksille - jotka ovat tärkeitä pehmeiden laitteiden sovelluksissa.

Marraskuu 2020