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npj Electrical Electronics volume 6, numero articolo: 94 (2022) Citare questo articolo

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Le morbide mani robotiche possono facilitare l’interazione uomo-robot consentendo ai robot di afferrare un’ampia gamma di oggetti in modo sicuro e delicato. Tuttavia, le loro prestazioni sono state ostacolate dalla mancanza di sistemi di rilevamento adeguati. Presentiamo una rete di sensori multimodali flessibile ed estensibile integrata con una morbida mano robotica. La progettazione di sensori cablati su una pellicola metallizzata flessibile è stata implementata attraverso un approccio produttivo che utilizza contemporaneamente sia l'ablazione del metallo con laser UV che il taglio della plastica per creare elettrodi del sensore e fili conduttivi estensibili in un modello Kirigami in un'unica rete. Abbiamo valutato le interconnessioni e i sensori misurando una variazione di impedenza per ciascuno stimolo esterno e abbiamo dimostrato che non sono sostanzialmente influenzati dall'allungamento della rete. Con il foglio del sensore avvolto attorno a una morbida pinza robotica, abbiamo dimostrato diversi scenari di interazione, tra cui un burrito caldo per la manipolazione degli alimenti e una bambola calda per applicazioni mediche.

Negli ultimi anni ci sono stati enormi progressi nel campo della robotica soft. In particolare, è stato dimostrato che le mani robotiche morbide afferrano e persino manipolano oggetti di forma complessa, fragili o deformabili, una sfida perenne per la robotica rigida convenzionale1,2. Sulla base di queste capacità, sono emersi come una soluzione promettente per applicazioni industriali, di interazione umana e mediche3,4,5. Nonostante il loro potenziale e i recenti progressi, la maggior parte dei robot non esegue ancora attività abili con tali mani a causa della mancanza di sensibilità per il controllo del feedback6,7,8. Pertanto lo sviluppo di sensori per mani robotiche morbide rimane un passo fondamentale.

Nel tentativo di imitare le morbide mani robotiche con il rilevamento cutaneo e facilitare l'interazione uomo-robot, sono state proposte molte soluzioni9,10,11,12,13,14,15,16. Tuttavia, in molti casi, i sensori robotici morbidi si occupano principalmente di rilevare lo stato del robot stesso (ad esempio, rilevare gli angoli di piegatura o la pressione interna). Un numero più piccolo17,18,19,20,21 fornisce il rilevamento cutaneo per informazioni sulle interazioni tra il robot e oggetti o superfici. In un lavoro correlato, i ricercatori hanno sviluppato sensori estensibili da montare sulla pelle umana22,23,24,25,26,27. La maggior parte di questi però non è finalizzata a rilevare fenomeni di contatto come la vicinanza ad un oggetto afferrato o la temperatura della sua superficie.

L'integrazione dei sensori tradizionali su robot morbidi o protesi introduce una discrepanza in termini di proprietà meccaniche. La maggior parte dei sensori convenzionali sono rigidi, ma le superfici dei robot morbidi devono allungarsi e sono curve. Pertanto, i sensori e le reti richiedono fattori di forma estensibili e flessibili per conformarsi e muoversi con superfici morbide, senza effetti di deformazione indesiderati nel segnale del sensore. Nonostante i recenti progressi nelle reti di soft sensing, le sfide persistenti includono il costo e la complessità della fabbricazione, la necessità di personalizzazione per diverse applicazioni e l’integrazione dei sensori con l’elaborazione. Oltre a questi requisiti, applicazioni come la manipolazione degli alimenti e l'interazione umana aggiungono la necessità di disporre di sensori facilmente sostituibili (e idealmente monouso) per evitare la contaminazione.

Per risolvere questi problemi, la progettazione e la dimostrazione della rete di sensori qui riportate presentano una bassa complessità di fabbricazione e integrazione, in linea con il costo e la facilità di sostituzione richiesti per i materiali usa e getta. Questo lavoro mostra come utilizzare tecniche di produzione laser UV per la fabbricazione di array multisensori estensibili che risolvono tali problemi per applicazioni robotiche e protesiche morbide. Sebbene gli elementi dei componenti della rete di rilevamento, come sensori28,29,30 e fili conduttivi31,32,33 fabbricati mediante la produzione di laser UV, siano stati riportati, in questo articolo presentiamo il progetto di una rete di sensori multimodali come riportato qui , inclusa una combinazione di più sensori flessibili e fasci di cavi su reti kirigami estensibili. Consente di fabbricare più sensori e fili su una rete di sensori 50 × 50 mm2, con un costo di $ 0,005 (USD) per la pellicola di plastica metallizzata, in 3 minuti. Variando i parametri del fascio (potenza, frequenza, ciclo di lavoro, velocità), abbiamo modellato caratteristiche diverse su ogni strato di metallo e plastica della pellicola conduttiva flessibile. L'integrazione può essere facilmente ottenuta allungando il modello di taglio per avvolgerlo attorno alle superfici di robot morbidi commerciali di varie forme. Modificando le dimensioni del modello, è possibile ridimensionarlo e personalizzarlo per diverse applicazioni con gamme dinamiche, risoluzione spaziale ed elementi di rilevamento diversi. Ad esempio, mostriamo tre sensori di temperatura e sei sensori di prossimità su una superficie interna con pinza morbida 30 × 50 mm destinata al settore della preparazione degli alimenti.