Unikt sensorsystem svarar 1, 000 gånger snabbare än den mänskliga känslan, den snabbaste som någonsin uppnåtts för en e-skin

Robotar och protesanordningar kan snart få en känsla av beröring som motsvarar, eller bättre än, den mänskliga huden med Asynchronous Coded Electronic Skin (ACES), ett artificiellt nervsystem utvecklat av ett team av forskare vid National University of Singapore (NUS).

Det nya elektroniska hudsystemet uppnådde ultrahög lyhördhet och robusthet mot skador, och kan kombineras med alla typer av sensorhudlager för att fungera effektivt som en elektronisk hud.

Innovationen, uppnådd av biträdande professor Benjamin Tee och hans team från institutionen för materialvetenskap och teknik vid NUS tekniska fakulteten, rapporterades först i prestigefylld vetenskaplig tidskrift Science Robotics den 18 juli 2019.

Snabbare än det mänskliga sensoriska nervsystemet

"Människor använder vår känsla för att utföra nästan varje daglig uppgift, som att ta upp en kopp kaffe eller göra ett handslag. Utan det, vi kommer även att tappa balansen när vi går. Liknande, robotar måste ha en känsla för att kunna interagera bättre med människor, men robotar idag kan fortfarande inte känna föremål särskilt bra, "förklarade Asst Prof Tee, som har arbetat med elektronisk hudteknik i över ett decennium i hopp om att ge robotar och proteser bättre känsla.

Hämtar inspiration från det mänskliga sensoriska nervsystemet, NUS -teamet ägnade ett och ett halvt år åt att utveckla ett sensorsystem som potentiellt skulle kunna prestera bättre. Medan ACES elektroniska nervsystem detekterar signaler som det mänskliga sensorns nervsystem, den består av ett nätverk av sensorer anslutna via en enda elektrisk ledare, till skillnad från nervknippen i människans hud. Det är också till skillnad från befintliga elektroniska skinn som har sammanlänkade ledningssystem som kan göra dem känsliga för skador och svåra att skala upp.

Utarbetar inspirationen, Biträdande professor Tee, som också har utnämningar vid NUS -avdelningen för el- och datateknik, NUS Institute for Health Innovation &Technology (iHealthTech), N.1 Institute for Health och Hybrid Integrated Flexible Electronic Systems (HiFES) -programmet, sa, "Det mänskliga sensoriska nervsystemet är extremt effektivt, och det fungerar hela tiden i den mån vi ofta tar det för givet. Det är också mycket robust mot skador. Vår känsla, till exempel, påverkas inte när vi drabbas av ett snitt. Om vi ​​kan efterlikna hur vårt biologiska system fungerar och göra det ännu bättre, vi kan åstadkomma enorma framsteg inom robotik där elektroniska skinn huvudsakligen tillämpas. "

ACES kan upptäcka beröringar mer än 1, 000 gånger snabbare än det mänskliga sensoriska nervsystemet. Till exempel, den kan skilja fysiska kontakter mellan olika sensorer på mindre än 60 nanosekunder - det snabbaste som någonsin uppnåtts för elektronisk hudteknik - även med ett stort antal sensorer. ACES-aktiverad hud kan också exakt identifiera formen, föremålens struktur och hårdhet inom 10 millisekunder, tio gånger snabbare än ett ögonblick. Detta möjliggörs av den höga trovärdigheten och fångsthastigheten för ACES -systemet.

ACES -plattformen kan också utformas för att uppnå hög robusthet mot fysiska skador, en viktig egenskap för elektroniska skinn eftersom de kommer i frekvent fysisk kontakt med miljön. Till skillnad från det nuvarande systemet som används för att ansluta sensorer i befintliga elektroniska skinn, alla sensorer i ACES kan anslutas till en gemensam elektrisk ledare där varje sensor fungerar oberoende. Detta gör att ACES-aktiverade elektroniska skal kan fortsätta fungera så länge det finns en anslutning mellan sensorn och ledaren, vilket gör dem mindre sårbara för skador.

Smarta elektroniska skinn för robotar och proteser

ACES enkla kabelsystem och anmärkningsvärda lyhördhet även med ökande antal sensorer är viktiga egenskaper som underlättar uppskalningen av intelligenta elektroniska skinn för applikationer för artificiell intelligens (AI) i robotar, protesanordningar och andra gränssnitt för mänskliga maskiner.

"Skalbarhet är en kritisk faktor eftersom stora bitar av högpresterande elektroniska skinn krävs för att täcka de relativt stora ytorna på robotar och protesanordningar, "förklarade biträdande professor Tee." ACES kan enkelt kopplas ihop med alla typer av sensorhudlager, till exempel, de som är avsedda att känna av temperaturer och luftfuktighet, för att skapa högpresterande ACES-aktiverad elektronisk hud med en exceptionell beröringskänsla som kan användas för en mängd olika ändamål, " han lade till.

Till exempel, para ACES med transparent, självläkande och vattenresistent sensorhudlager som också nyligen utvecklats av Asst Prof Tees team, skapar en elektronisk hud som kan reparera sig själv, som människans hud. Denna typ av elektronisk hud kan användas för att utveckla mer realistiska protetiska lemmar som hjälper funktionshindrade personer att återställa sin känsla.

Andra potentiella applikationer inkluderar att utveckla mer intelligenta robotar som kan utföra katastrofåterställningsuppgifter eller ta över vardagliga operationer som packning av föremål i lager. NUS -teamet vill därför ytterligare tillämpa ACES -plattformen på avancerade robotar och protetiska enheter i nästa fas av sin forskning.