Capteurs de contrainte sans fil, ultra-minces et sans batterie, 10 fois plus sensibles –

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  • Une équipe de recherche de l’Université nationale de Singapour (NUS), dirigée par le professeur assistant Chen Po-Yen, a fait le premier pas vers l’amélioration de la sécurité et de la précision des bras robotiques industriels en développant une nouvelle gamme de capteurs de déformation en nanomatériaux 10 fois plus sensible lors de la mesure des mouvements minuscules, par rapport à la technologie existante.

    Fabriqués à l’aide de nanomatériaux flexibles, extensibles et électriquement conducteurs appelés MXenes, ces nouveaux capteurs de contrainte développés par l’équipe NUS sont ultra-minces, sans batterie et peuvent transmettre des données sans fil. Avec ces propriétés souhaitables, les nouveaux capteurs de déformation peuvent potentiellement être utilisés pour une large gamme d’applications.

    Le professeur adjoint Chen, qui est du département NUS de génie chimique et biomoléculaire, a expliqué: «Les performances des capteurs de déformation conventionnels ont toujours été limitées par la nature des matériaux de détection utilisés, et les utilisateurs disposent d’options limitées pour personnaliser les capteurs pour des applications spécifiques. Ce travail, nous avons développé une stratégie facile pour contrôler les textures de surface des MXènes, ce qui nous a permis de contrôler les performances de détection des capteurs de contrainte pour divers exosquelettes souples. Les principes de conception des capteurs développés dans ce travail amélioreront considérablement les performances des peaux électroniques et des robots doux. “

    Fabrication de précision

    Un domaine dans lequel les nouveaux capteurs de déformation pourraient être utilisés à bon escient est la fabrication de précision, où des bras robotiques sont utilisés pour effectuer des tâches complexes, telles que la fabrication de produits fragiles comme les micropuces.

    Ces capteurs de contrainte développés par les chercheurs de NUS peuvent être enduits sur un bras robotique comme une peau électronique pour mesurer les mouvements subtils lorsqu’ils sont étirés. Lorsqu’ils sont placés le long des articulations des bras robotiques, ces capteurs de contrainte permettent au système de comprendre précisément à quel point les bras robotiques bougent et leur position actuelle par rapport à l’état de repos. Les capteurs de contrainte actuels du commerce n’ont pas la précision et la sensibilité requises pour exécuter cette fonction.

    Les bras robotiques automatisés conventionnels utilisés dans la fabrication de précision nécessitent des caméras externes dirigées vers eux sous différents angles pour aider à suivre leur positionnement et leurs mouvements. Les capteurs de contrainte ultra-sensibles développés par l’équipe NUS aideront à améliorer la sécurité globale des bras robotiques en fournissant un retour automatisé sur des mouvements précis avec une marge d’erreur inférieure à un degré, et éliminent le besoin de caméras externes car ils peuvent suivre le positionnement et les mouvements sans toute entrée visuelle.

    «C’est un grand plaisir pour Realtek Singapore de travailler avec le professeur assistant Chen Po-Yen et son équipe à NUS pour le développement de modules de capteurs sans fil applicables aux robots souples et aux bras robotiques industriels. Nos capteurs sans fil ont co-développé avec les performances de détection désignées par le client permettent aux robots d’effectuer des mouvements de haute précision, et les données de détection de rétroaction peuvent être transmises sans fil, ce qui correspond aux approches de Realtek Singapore dans une usine intelligente sans fil. Realtek continuera à développer une étroite collaboration avec NUS et nous sommes impatients d’apporter les technologies du laboratoire au marché », a déclaré le Dr Yeh Po-Leh, président de Realtek Singapore.

    Capteurs personnalisables et ultra-sensibles

    La percée technologique est le développement d’un processus de production qui permet aux chercheurs de NUS de créer des capteurs ultra-sensibles hautement personnalisables sur une large fenêtre de travail avec des rapports signal / bruit élevés.

    La fenêtre de travail d’un capteur détermine à quel point il peut s’étirer tout en conservant ses qualités de détection et avoir un rapport signal / bruit élevé signifie une plus grande précision car le capteur peut faire la différence entre les vibrations subtiles et les mouvements infimes du bras robotique.

    Ce processus de production permet à l’équipe de personnaliser ses capteurs à n’importe quelle fenêtre de travail entre 0 et 900%, tout en maintenant une sensibilité et un rapport signal / bruit élevés. Les capteurs standard peuvent généralement atteindre une plage allant jusqu’à 100%. En combinant plusieurs capteurs avec différentes fenêtres de travail, les chercheurs de NUS peuvent créer un seul capteur ultra-sensible qui serait autrement impossible à réaliser.

    L’équipe de recherche a mis deux ans pour développer cette percée et a depuis publié ses travaux dans la revue scientifique ACS Nano en septembre 2020. Ils disposent également d’un prototype fonctionnel de l’application d’exosquelettes souples dans un gant de rééducation robotique souple.

    «Ces capteurs flexibles avancés confèrent à nos robots portables souples une capacité importante à détecter les performances motrices du patient, en particulier en termes d’amplitude de mouvement. Cela permettra à terme au robot logiciel de mieux comprendre les capacités du patient et de fournir l’assistance nécessaire aux mouvements de sa main. », a déclaré le professeur agrégé Raye Yeow, qui dirige un laboratoire de robotique douce au département de génie biomédical de NUS, et dirige le programme de robotique douce et hybride sous le Bureau national du programme de R&D en robotique.

    Chirurgie robotique

    L’équipe cherche également à améliorer les capacités du capteur et à travailler avec l’hôpital général de Singapour pour explorer l’application dans les robots à exosquelette souple pour la rééducation et dans les robots chirurgicaux pour la chirurgie robotique transorale.

    «En tant que chirurgien, nous comptons non seulement sur notre vue, mais aussi sur notre sens du toucher pour ressentir la zone à l’intérieur du corps où nous opérons. Les tissus cancéreux, par exemple, se sentent différents des tissus normaux et sains. modules de détection à de longs outils robotiques, nous pouvons atteindre et opérer dans des zones où nos mains ne peuvent pas atteindre et potentiellement «ressentir» la raideur des tissus sans avoir besoin d’une chirurgie ouverte », a déclaré le Dr Lim Chwee Ming, consultant principal, Otorhinolaryngology-Head & Chirurgie du cou, hôpital général de Singapour.

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