26/06/2023
Door Ad Spijkers
Onderzoekers vinden een mogelijke sleutel tot gevoelige sensoren met breed bereik na het uitvinden van een apparaat om het gewicht van baby's te meten.
Naar verwachting zal de vraag naar druksensoren die menselijke aanraking kunnen analyseren en simuleren toenemen. Het is een uitdaging voor ingenieurs om een betaalbare maar toch gevoelige sensor te maken voor bepaalde toepassingen. Te denken valt aan het detecteren van subtiele pulsen, het bedienen van robotledematen en het maken van weegschalen met hoge resolutie.
Een team van onderzoekers heeft een sensor ontwikkeld die deze taken kan uitvoeren. Ze zijn werkzaam aan Pennsylvania State University in State College (ruim 300 km noordelijk van Washington DC). en Hebei University of Technology in Tianjin (130 km zuidwestelijk van Beijing). Ze wilden een sensor maken die extreem gevoelig en betrouwbaar lineair is over een breed scala aan toepassingen, een hogedrukresolutie heeft en kan werken onder grote drukvoorspanningen.
Inspiratie
De sensor kan een kleine druk detecteren wanneer er al grote druk wordt uitgeoefend. Het komt overeen met het detecteren van een vlieg op een olifant. De nieuwe sensor kan de kleinste drukverandering meten, net zoals onze huid dat doet bij aanraking. Huanyu 'Larry' Cheng, Associate Professor of Engineering Science and Mechanics aan Penn State, Cheng werd geïnspireerd om deze sensoren te ontwikkelen door een zeer persoonlijke ervaring: de geboorte van zijn tweede dochter.
Zij verloor kort na de geboorte 10% van haar lichaamsgewicht. De behandelend arts vroeg Cheng om de baby om de twee dagen te wegen om bijkomend verlies of gewichtstoename te controleren. Hij probeerde dit te doen door zichzelf te wegen op een gewone weegschaal voor thuis en vervolgens zichzelf te wegen terwijl hij zijn dochter vasthield om het gewicht van de baby te meten. Hij merkte dat, toen hij zijn dochter in haar deken legde toen hij haar niet langer vasthield, hij de verandering in gewicht niet zag. De commerciële weegschaal had de verandering in druk niet gedetecteerd.
Uitdagingen
Na veel verschillende benaderingen te hebben geprobeerd, ontdekte zijn team dat het gebruik van een druksensor bestaande uit gradiënt micropiramidale structuren en een ultradunne ionische laag om een capacitieve respons te geven, het meest veelbelovend was.
Ze werden echter geconfronteerd met een aanhoudend probleem. De hoge gevoeligheid van de microstructuren zou afnemen naarmate de druk toenam. De willekeurige microstructuren die uit natuurlijke objecten waren gevormd, resulteerden in oncontroleerbare vervorming en een smal lineair bereik. Anders gezegd: wanneer druk op de sensor werd uitgeoefend, zou de vorm van de sensor veranderen. Hierdoor verandert het contactgebied tussen de microstructuren en zijn de meetwaarden nutteloos.
Microstructuurpatronen
Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, ontwierpen de wetenschappers microstructuurpatronen die het lineaire bereik konden vergroten zonder de gevoeligheid te verminderen. Ze maakten de sensor in wezen flexibel, zodat deze nog steeds kon functioneren in de gradiënt van druk die in de echte wereld bestaat.
Ze onderzochten het gebruik van een CO2-laser met een Gaussiaanse straal om programmeerbare structuren te fabriceren. Te denken valt aan gradiëntpiramidale microstructuren (GPM) voor iontronische sensoren, zachte elektronica die de waarnemingsfuncties van de menselijke huid kan nabootsen. Dit proces vermindert de kosten en procescomplexiteit in vergelijking met fotolithografie, de methode die gewoonlijk wordt gebruikt om delicate microstructuurpatronen voor sensoren te maken.
Optimalisatie
De oplossing van het sensorprobleem lag in een combinatie van vele kleine stukjes. De onderzoekers weten dat de structuur microschaal moet zijn en een delicate ontwerp heeft. Maar het is een uitdaging om de structuur te ontwerpen of te optimaliseren. Ze werkten met het lasersysteem om dit mogelijk te maken. Door alle verschillende parameters te verkennen konden ze de prestaties verbeteren.
Deze geoptimaliseerde sensor had snelle respons- en hersteltijden en goede herhaalbaarheid. Het team testte dit door subtiele pulsen te detecteren, interactieve robothanden te bedienen en slimme weegschaal en stoelen met ultrahoge resolutie te creëren. De wetenschappers ontdekten ook dat de voorgestelde fabricagebenaderingen en ontwerptoolkit uit dit werk kunnen worden gebruikt om de prestaties van de druksensor gemakkelijk af te stemmen op verschillende doeltoepassingen. Ook vonden ze mogelijkheden om andere iontronische sensoren te creëren, het bereik van sensoren die ionische vloeistoffen gebruiken, zoals een ultradunne ionische laag.
Toepassingen
Behalve een toekomstige weegschaal waar het voor ouders gemakkelijker zou zijn om hun baby te wegen, zouden deze sensoren ook andere toepassingen hebben. De onderzoekers konden niet alleen de polsslag detecteren, maar ook van de andere distale vasculaire structuren zoals de wenkbrauw en de vingertop. Ze combineren dat met het besturingssysteem om te laten zien dat het mogelijk is om de sensor te gebruiken voor de toekomst van menselijke robotinteractie.
Ze stellen zich ook ander gebruik in de gezondheidszorg voor. Zo zou de sensor deel kunnen uitmaken van een systeem om iemand die een ledemaat heeft verloren, te helpen een robotledemaat te besturen. Andere mogelijke toepassingen zijn sensoren om de polsslag van een persoon te meten tijdens stressvolle werksituaties, zoals zoeken en redden na een aardbeving of het uitvoeren van moeilijke, gevaarlijke taken op een bouwplaats.
Foto: Penn State, Cheng Groep