Forskare från Chongqing University, i Kina, har nyligen utvecklat en självdriven triboelektrisk hörselsensor (TAS) som kan användas för att bygga elektroniska hörselsystem för externa hörapparater i intelligenta robotapplikationer. Deras senaste studie, publiceras i Vetenskapsrobotik , skulle kunna informera om skapandet av en ny generation av hörselsystem, ta itu med några av de viktigaste utmaningarna inom området social robotik.

Hörselsystemet är det enklaste och mest effektiva sättet att kommunicera mellan människor och robotar. Helst robotbaserade hörselsystem bör tillåta robotar att lyssna på mänskliga instruktioner samtidigt som de uppfattar deras vokala intonationer, för att svara därefter.

Ett av de viktigaste syftena med social robotik är därför att designa hörselsensorer som är kraftfulla och känsliga inom ett brett frekvensområde. Dessa applikationer kan också gynna de 10 procent av världens befolkning som har hörselnedsättningar.

"Vanligen, personer med nedsatt hörsel tappar alltid en eller flera specifika frekvensområden, " forskarna som genomförde studien berättade för Tech Xplore. "Syftet med externa hörapparater är att förstärka de specifika försämrade ljudområdena till den hörbara nivån för dessa människor. Därför, Användningen av hörselsensorer med frekvensselektivitet som hörapparat för att återhämta nedsatt hörsel skulle förbättra sociala interaktioner mellan människa och robot."

En ytterligare utmaning inom robotteknikområdet är relaterad till kraft och energi. För att framgångsrikt designa hörselsensorer med bredbandsfrekvensrespons och frekvensselektivitet, forskare bör använda traditionella akustiska sensorer med exakta signalbehandlingskretsar, som höjer strömförbrukningen och minskar arbetstiden.

"Det konventionella sättet att bygga självförsörjande akustiska sensorer är baserat på den piezoelektriska effekten och trapetsformad enhetsarkitektur, " förklarade forskarna. "Men, piezoelektriska sensorer har en ganska låg utsignal och ett relativt högt frekvenssvarsområde i jämförelse med frekvensområdet för den mänskliga rösten. Dessutom, multisignalkanalerna, komplicerad tillverkningsprocess och piezoelektriska material förbättrar avsevärt sina kostnader."

För att lösa dessa problem, forskarna designade en cirkulär typ, enkanalig, och självdriven hörselsensor (TAS) som är lätt att tillverka, baserad på triboelektrisk nanogeneratorteknik. Nanogeneratorer är en typ av teknik som omvandlar mekanisk och termisk energi till elektricitet.

Det finns tre huvudtyper av nanogeneratorer:piezoelektriska, triboelektriska och pyroelektriska. Både piezoelektriska och triboelektriska generatorer skördar mekanisk energi för att skapa elektricitet, men medan de förra gör detta genom ett nanostrukturerat piezoelektriskt material, triboelektriska uppnår det genom en kombination av triboelektrifierings- och elektrostatisk induktionseffekter.

"Höjdpunkterna i vår TAS-enhet är den självdrivna avkänningen och anpassningsbara spektrumegenskaper, " förklarade forskarna. "TAS har ett vibrationsmembran täckt med ett ledande skikt och ett ledande bottenskikt täckt med ett tribomaterialskikt. Under akustisk våg, membranvibrationen orsakar kontakt mellan membranet och tribomaterialet, skapa avgiftsfördelning. På grund av den elektrostatiska induktionseffekten, vibrationen skulle generera utsignal genom två ledande lager. För varje fast membran, det skulle finnas en specifik vibrationskaraktär. På grund av den enkla strukturen hos TAS, vi kan designa membranets gränsvillkor för att realisera det anpassningsbara spektrum som vi behöver."

När den testades, sensorn som utvecklats av forskarna producerade en hög utsignal, kortbands frekvenssvar, och frekvensselektivitetsegenskapen i det mänskliga röstområdet. Deras sensor är också relativt lätt att bygga och ger ett anpassningsbart spektrum i en enkanalig enhet.
"Den höga utsignalen och enstaka kanalen kan i hög grad minska signalbehandlingen, vilket minskar strömförbrukningen, " sade forskarna. "De använda materialen och dess lätta tillverkning förbättrar möjligheten att designa transparenta hörselsystem och ett brett utbud av andra enheter. Vi tror att den här tekniken kan ge ett kostnadsekonomiskt och energieffektivt hörselsystem för både robot- och hörapparatapplikationer."

Arbetet av detta team av forskare belyser den betydande potentialen hos triboelektrisk nanogeneratorteknik för att möta utmaningar inom området social robotik och för att bygga mer effektiva hörapparater. De planerar nu utvecklingen av nya sensorer för en mängd olika interaktioner mellan människa och robot, samtidigt som de driver sin nyligen utvecklade teknologi mot industrialisering.

© 2018 Tech Xplore