Slimme huid voor het nabije veld in robotica

Een Europees onderzoeksproject werkt aan slimme huid voor nauwkeurigere mens-robot-communicatie en detectie in het nabije veld in robotica.

In de productie, professionele dienstverlening en gezondheidszorg zijn steeds vaker specifieke fysieke mens-robot-interacties nodig. Dit vereist verbetering van het gebruiksgemak en de communicatie tussen mens en machine. Robots moeten menselijk handelen kunnen voorspellen en intenties kunnen herkennen. Dit vereist flexibele metamaterialen of platte metasurface-antennes met sterk geïntegreerde elektronica om de nabije omgeving te kunnen detecteren.

Het Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) in Wachtberg (20 km ten zuiden van Bonn) ontwikkelt dergelijke oppervlakken, die een robot als een adaptieve, intelligente huid omringen. Het instituut werkt in het EU Fitness-project (Flexible IntelligenT NEarfield Sensing Skins) samen met zes partners.

Mens-robot-interactie

De fysieke interactie tussen mens en robot heeft zich ontwikkeld tot een sleuteltechnologie die helpt productieprocessen efficiënter te maken. Bij alle ontwikkelingen op het gebied van mens-machine-interactie staat de veiligheid van werknemers voorop. In het EU-project Fitness moet de communicatie en interactie tussen mens en machine worden geoptimaliseerd. Dit gebeurt met behulp van intelligente antenne-oplossingen in de vorm van nieuwe, elektromagnetische metamateriaal oppervlakken met geïntegreerde elektronica.

De flexibele en rekbare Metasurface-antennes zijn geschikt voor het uitzenden van oppervlaktegolven. Ze zouden de omgeving beter kunnen scannen dan conventionele antennes, waardoor de menselijke veiligheid en de prestaties van de robots toenemen.

Intelligente antennehuid

De Metasurface-antennes zijn platte antennes geïntegreerd in filmvormige substraten die zich aanpassen aan de contouren van de robot. Door hun platte structuur kunnen deze antennes worden gebogen en uitgerekt en als een huid rond de robot worden geplaatst. Als alternatief en afhankelijk van de toepassing kunnen ze bijvoorbeeld alleen aan de robotarm worden bevestigd. Ze worden daarom ook wel ‘smart skins’ of intelligente huid genoemd.

De toekomstige antenne-oplossing kan de omgeving scannen, beweging detecteren en tegelijkertijd op radio gebaseerd communiceren met het basisstation. De markt biedt zo’n oplossing nog niet. De nieuwe antenne-oplossing is bedoeld om straalforming mogelijk te maken, een proces voor het bepalen van de positie van geluidsbronnen in golfvelden. Hierdoor is de instelbare elektromagnetische straal altijd naar het basisstation is gericht, wat een sterker en stabieler signaal garandeert en resulteert in een groter bereik.

Straalvorming

Tot nu toe wordt straalvorming ondersteund door zogenoemde phased arrays. Veel antennes zijn in een groep verbonden. De fase van elk afzonderlijk antenne-element is variabel, waardoor de kijkrichting van de groepsantenne beïnvloed kan worden. De technologie wordt tot nu toe vooral in militaire context gebruikt. Bij conventionele array-antennes zijn de antenne-elementen en hun elektronica dicht bij elkaar geplaatst. Dit resulteert in hoge kosten, veel warmteafvoer en een hoge foutgevoeligheid.

Metasurface-antennes daarentegen zouden met veel minder elektronica kunnen worden gebouwd, zonder de eigenschappen van conventionele constructies te verliezen. Het nieuwe concept kan kosten besparen en kleinere, compactere structuren creëren. Met de metamateriaal-oppervlakken streven de ontwikkelaars naar een nieuw constructieconcept dat kleine geometrieën mogelijk maakt die een hoge mate van vrijheid mogelijk maken bij het ontwerp van de uitgezonden velden. Maar ook zorgen ze voor de best mogelijke extractie van gebarensignalen.

Nieuwe antennesubstraten

Meestal worden antennes geïntegreerd in stijve microgolfsubstraten. Als alternatief zijn er materialen die kunnen worden uitgerekt en daardoor een hoge mate van flexibiliteit hebben. Deze flexibele substraten hebben echter te hoge verliezen en presteren niet optimaal in het hoge frequentiebereik, zoals blijkt uit de meettechnologie die is ontwikkeld door de Fraunhofer FHR-onderzoekers. Daarom zijn de conventionele substraten die op de markt verkrijgbaar zijn, niet optimaal voor de overdracht van hoogfrequente signalen.

Op basis van de resultaten van het instituut ontwikkelt Fitness-projectpartner Technische Universität Hamburg nieuwe substraten als onderdeel van Fitness. De universiteit synthetiseert rekbare en potentieel hoogfrequente materialen met behulp van een mix van polymeren en polymeren met vreemde keramische deeltjes. Deze zullen tijdens het project door Fraunhofer FHR worden getest.

Op basis van de eerste resultaten wordt momenteel een bestaande meetopstelling geoptimaliseerd, uitgebreid voor andere frequentiebanden en wordt de software voor de definitieve opstelling ontwikkeld. Tegelijkertijd onderzoeken de projectpartners hoe de vervormingen van de rekbare oppervlakken de eigenschappen in het nabije en verre veld beïnvloeden. Langetermijnplannen omvatten zelf-kalibrerende Metasurface-antennes die onafhankelijk hun kromming en vorm detecteren om een optimale signaalontvangst te garanderen en communicatieproblemen te voorkomen.

Toepassingen

Behalve robotica in de productieomgeving zijn de projectpartners van mening dat medische technologie en robotica potentiële toepassingsgebieden zijn. Hier kunnen Metasurface-antennes als intelligente huid apparaten zoals assistentierobots helpen gebaren beter te herkennen en nauwer met mensen te communiceren. Het is ook denkbaar dat de technologie gebruikt kan worden in beschermende uitrusting voor brandweerlieden of in ruimtepakken.

Behalve Fraunhofer FHR zijn zes partners uit de industrie en het onderzoek bij het project betrokken:

• Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), het nationale onderzoeksinstituu met vestigingen door heel Frankrijk
• eV Technologies, een high-tech bedrijf met hoofdkwartier in Caen
• Technische Universität Hamburg
• Université Catholique de Louvain (projectcoördinator)
• University of Zagreb
• L-up, een in Parijs en Lyon gevestigd adviesbureau, gespecialiseerd in nationale en Europese financieringsprogramma's.

Foto: Fraunhofer FHR/Alexander Balas