En forskargrupp från National University of Singapore (NUS), ledd av biträdande professor Chen Po-Yen, har tagit det första steget mot att förbättra säkerheten och precisionen för industriella robotarmar genom att utveckla en ny serie töjningssensorer för nanomaterial som är 10 gånger känsligare när de mäter små rörelser, jämfört med befintlig teknik.

Tillverkad med hjälp av flexibel, töjbar, och elektriskt ledande nanomaterial som kallas MXenes, dessa nya töjningssensorer utvecklade av NUS-teamet är ultratunna, batterifri och kan överföra data trådlöst. Med dessa önskvärda egenskaper, de nya töjningssensorerna kan potentiellt användas för ett brett spektrum av applikationer.

biträdande professor Chen, som är från NUS Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik, förklarade, "Prestandan hos konventionella töjningssensorer har alltid begränsats av typen av avkänningsmaterial som används, och användare har begränsade möjligheter att anpassa sensorerna för specifika applikationer. I det här arbetet, vi har utvecklat en enkel strategi för att kontrollera ytstrukturerna på MXenes, och detta gjorde det möjligt för oss att kontrollera avkänningsprestandan hos töjningssensorer för olika mjuka exoskelett. De sensordesignprinciper som utvecklats i detta arbete kommer att avsevärt förbättra prestandan hos elektroniska skal och mjuka robotar."

Precisionstillverkning

Ett område där de nya töjningssensorerna skulle kunna användas väl är precisionstillverkning, där robotarmar används för att utföra komplicerade uppgifter, som att tillverka ömtåliga produkter som mikrochips.

Dessa töjningssensorer utvecklade av NUS-forskare kan beläggas på en robotarm som en elektronisk hud för att mäta subtila rörelser när de sträcks. När de placeras längs lederna av robotarmar, dessa töjningssensorer gör att systemet kan förstå exakt hur mycket robotarmarna rör sig och deras nuvarande position i förhållande till vilotillståndet. Nuvarande standardtöjningssensorer har inte den noggrannhet och känslighet som krävs för att utföra denna funktion.

Konventionella automatiserade robotarmar som används vid precisionstillverkning kräver externa kameror riktade mot dem från olika vinklar för att hjälpa till att spåra deras positionering och rörelse. De ultrakänsliga töjningssensorerna som utvecklats av NUS-teamet kommer att bidra till att förbättra den övergripande säkerheten för robotarmar genom att ge automatiserad feedback på exakta rörelser med en felmarginal under en grad, och ta bort behovet av externa kameror eftersom de kan spåra positionering och rörelser utan någon visuell input.

"Det är ett stort nöje för Realtek Singapore att arbeta med biträdande professor Chen Po-Yen och hans team i NUS för utvecklingen av trådlösa sensormoduler för mjuka robotar och industriella robotarmar. Våra samutvecklade trådlösa sensorer med kundutsedda avkänningsprestanda tillåta robotarna att utföra rörelser med hög precision, och återkopplingsavkänningsdata kan överföras trådlöst, som överensstämmer med Realtek Singapores tillvägagångssätt i trådlös smart fabrik. Realtek kommer att fortsätta bygga upp ett starkt samarbete med NUS och vi ser fram emot att ta ut teknologierna från labbet till marknaden, " sa Dr Yeh Po-Leh, Styrelseordförande i Realtek Singapore.

Anpassningsbar, ultrakänsliga sensorer

Det tekniska genombrottet är utvecklingen av en produktionsprocess som gör det möjligt för NUS-forskare att skapa mycket anpassningsbara ultrakänsliga sensorer över ett brett arbetsfönster med höga signal-brus-förhållanden.

En sensors arbetsfönster avgör hur mycket den kan sträcka sig samtidigt som den behåller sina avkänningsegenskaper och har ett högt signal-brusförhållande betyder större noggrannhet eftersom sensorn kan skilja mellan subtila vibrationer och små rörelser av robotarmen.

Denna produktionsprocess gör att teamet kan anpassa sina sensorer till alla arbetsfönster mellan 0 och 900 procent, samtidigt som hög känslighet och signal-brusförhållande bibehålls. Standardsensorer kan vanligtvis uppnå en räckvidd på upp till 100 procent. Genom att kombinera flera sensorer med olika arbetsfönster, NUS-forskare kan skapa en enda ultrakänslig sensor som annars skulle vara omöjlig att uppnå.

Forskargruppen tog två år att utveckla detta genombrott och har sedan dess publicerat sitt arbete i den vetenskapliga tidskriften ACS Nano i september 2020. De har också en fungerande prototyp för applicering av mjuka exoskelett i en mjuk robotrehabiliteringshandske.

"Dessa avancerade flexibla sensorer ger våra mjuka bärbara robotar en viktig förmåga att känna av patientens motoriska prestanda, särskilt när det gäller deras rörelseomfång. Detta kommer i slutändan att göra det möjligt för den mjuka roboten att bättre förstå patientens förmåga och ge den nödvändiga hjälpen till deras handrörelser, " sa docent Raye Yeow, som leder ett mjuk robotlabb vid NUS Institutionen för biomedicinsk teknik, och leder programmet Soft and Hybrid Robotics under National Robotics R&D Program Office.

Robotkirurgi

Teamet ser också efter att förbättra sensorns kapacitet och arbeta med Singapore General Hospital för att utforska tillämpningen i mjuka exoskelettrobotar för rehabilitering och i kirurgiska robotar för transoral robotkirurgi.

"Som kirurg, vi förlitar oss inte bara på vår syn utan även vår känsel för att känna området inuti kroppen där vi opererar. Cancervävnader, till exempel, känna sig annorlunda än normalt, frisk vävnad. Genom att lägga till ultratunna trådlösa avkänningsmoduler till långa robotverktyg, vi kan nå och operera i områden där våra händer inte kan nå och potentiellt "känna" vävnadens stelhet utan behov av öppen operation, " sa Dr Lim Chwee Ming, Senior konsult, Otorhinolaryngologi-Huvud- och halskirurgi, Singapore General Hospital.