Skannade elektronmikroskopbilder av de elliptiskt formade nanopelar-LED:erna. De två vänstra bilderna visar högupplösta bilder av de två lysdioderna som består av ortogonalt orienterade nanopelare. Den högra bilden visar en del av en nanopelaruppsättning, som var och en innehåller 12 500 nanopelare. Kredit:University of Michigan
I takt med att robotenheter som konstgjorda proteser och gränssnitt mellan människa och dator blir alltmer integrerade i samhället, har forskare tittat djupare på känsligheten hos de enheter som har samma funktion som händer. Människans fingertoppar är anmärkningsvärt känsliga. De kan kommunicera detaljer om ett föremål så lite som 40 μm (ungefär halva bredden av ett människohår), urskilja subtila skillnader i ytstrukturer och applicera precis tillräckligt med kraft för att lyfta antingen ett ägg eller en 20 lb. påse med hundmat utan glida. De kan också manipulera föremål relativt lätt.
Ingenjörer har arbetat för att efterlikna denna förmåga för eventuell robot- eller protesanvändning med varierande framgångsnivåer. Vid University of Michigan har prof. P.C. Ku och hans grupp har nyligen rapporterat om en förbättrad metod för taktil avkänning som upptäcker såväl riktning som kraft med hög känslighetsnivå. Systemets höga upplösning gör det unikt lämpligt för robot- och HCI-applikationer. Den är också relativt enkel att tillverka.
"Vi överbryggar klyftan mellan människor och datorer, så vi kanske kan lära en robot hur man känner föremål på ett sätt som skulle ligga närmare våra egna förmågor", säger doktoranden Nathan Dvořák.
Dvořák är medlem i ett team som leds av prof. P.C. Ku som har utvecklat taktila sensorer under de senaste åren. De är de första som integrerar en mycket känslig beröringskänsla tillsammans med riktningsförmåga med hjälp av asymmetriska nanopelare – så att en protesanordning kan greppa ett fallande föremål hårdare, eller så kan ett gränssnitt mellan människa och dator skilja en stigande rörelse från en fallande rörelse.
Enskild sensor bestående av 1,6M nanopelare, arrangerade i 64 noder bestående av par av arrayer placerade i rät vinkel mot varandra. Kredit:University of Michigan
Som ett bevis på konceptet byggde teamet en sensor, ungefär lika stor som en fingertopp, som innehåller 1,6 miljoner galliumnitrid (GaN) nanopelare. GaN användes på grund av dess förmåga att mäta kraft genom sin medfödda piezoelektriska egenskap, vilket betyder dess förmåga att generera en elektrisk laddning vid stress.
Den elliptiska formen och arrangemanget av nanopelarna är nyckeln till dess framgång för att kunna upptäcka riktning.
Den minsta enheten är nanopelaren. Varje nanopelare har en elliptisk form och är 450 nm lång, vilket är cirka 1 000 gånger mindre än bredden på människohår. Och varje nanopelare är utrustad med sin egen LED.
Nanopelarna är grupperade i individuella arrayer i form av en rektangel, 100×150 nanopelare, eller 12 500 nanopelare per array. Varje array grupperas sedan i omedelbar närhet med en andra array i rät vinkel mot den. Detta arrangemang är nyckeln till dess förmåga att upptäcka riktning. De två ortogonala arrayerna kallas en nod.
Konceptuell ritning av den taktila sensorn i aktion. Tryck som appliceras på nanopelarna minskar ljuset som sänds ut av lysdioderna. Kredit:University of Michigan
En komplett sensor består av 64 noder i form av en kvadrat.
När en kraft appliceras på nanopelarna ändrar den ljusintensiteten som sänds ut från nanopelarna, som visas i videon.
Eftersom sensorn kan bestämma kraftens riktning, kan den sedan varna en framtida protesanordning om huruvida ett föremål kan falla genom dess grepp, vilket kräver ett hårdare grepp.
Systemet kräver inga komplexa elektriska sammankopplingar, vilket kräver mycket hög tillverkningslikformighet. Den använder också välkända tillverkningsmetoder som är lätta att repetera.
"Och vi behöver inte ha 100 % avkastning på våra enheter, eller ens nära," sa Dvořák. "På en av mina nuvarande enheter finns det 1,6 miljoner nanopelare på sensorn, och det är fortfarande effektivt även om 25 % av nanopelarna i en array skadas under tillverkningen, eftersom vi upptäcker förändringen av ljusintensiteten snarare än den absoluta ljusintensitet."
Sensorn kunde urskilja föremål som bara mätte 4,3 μm, vilket gör den nästan 10 gånger känsligare än en mänsklig fingertopps. Och den kunde detektera vikten av ett föremål som liknar ett gem, eller cirka 0,1 gram.
Det aktuella proof of concept använder en standardkamera för att upptäcka förändringen i ljuset som uppstår när ytan berörs.
"Vi arbetar nu med att utveckla ett komplett system", sa Dvořák. Efter att ha fått det nuvarande systemet att fungera med elektricitet kommer han att montera sensorn ovanpå en CMOS-avbildare som registrerar förändringarna i ljusintensitet och kopplar den till en mikroprocessor för automatiserad informationsbehandling.
Forskningen beskrivs i "Ultrathin Taktila sensorer med riktningskänslighet och en hög rumslig upplösning", publicerad i Nano Letters . + Utforska vidare
