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I sensori e i semis elastici ed estensibili soddisfano le esigenze della mano robotica

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I ricercatori hanno sviluppato semiconduttori gommosi per pelli robotiche e "intelligenti" necessarie per la traduzione dei gesti, il rilevamento aptico per la robotica e la bioelettronica impiantabile.

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È possibile rendere il silicio e i semiconduttori un po' flessibili utilizzando un substrato super-sottile, ma questo comporta problemi di prestazioni e ha altre limitazioni. Un team dell'Università di Houston è andato invece "a tutto campo" creando semiconduttori gommosi che includono elettronica integrata, circuiti logici e pelli sensoriali in serie (Fig. 1). Le applicazioni includono la traduzione robotica e "intelligente" delle pelli gor gesture traduzione dell'alfabeto del linguaggio dei segni e il rilevamento tattile per la robotica, così come la bioelettronica.

1. Usando un substrato polimerico di gomma specialmente infuso e un gel di ioni, i ricercatori hanno sviluppato semiconduttori e sensori altamente flessibili. (Fonte: Università di Houston)

È possibile rendere il silicio e i semiconduttori un po' flessibili utilizzando un substrato super-sottile, ma questo comporta problemi di prestazioni e ha altre limitazioni. Un team dell'Università di Houston è andato invece "a tutto campo" creando semiconduttori gommosi che includono elettronica integrata, circuiti logici e pelli sensoriali in serie (Fig. 1). Le applicazioni includono la traduzione robotica e "intelligente" delle pelli gor gesture traduzione dell'alfabeto del linguaggio dei segni e il rilevamento tattile per la robotica, così come la bioelettronica.

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1. Usando un substrato polimerico di gomma specialmente infuso e un gel di ioni, i ricercatori hanno sviluppato semiconduttori e sensori altamente flessibili. (Fonte: Università di Houston)

I ricercatori hanno combinato il loro composito di gomma (polidimetilsilossano, PDMS) come semiconduttore estensibile con nanoparticelle d'argento con nanofili d'argento (AuNP-AgNW) opportunamente rivestiti, dispersi all'interno del PDMS come conduttore estensibile. Un gel ionico è stato usato come dielettrico a cancello.

Un ulteriore vantaggio del loro approccio è che non è stato necessario creare un materiale unico, che avrebbe comportato una sofisticata progettazione e sintesi molecolare. Al contrario, tutti i materiali utilizzati sono disponibili in commercio e possono essere facilmente fabbricati ed avere prestazioni stabili. Sono stati in grado di aumentare notevolmente la mobilità dei vettori fornendo percorsi veloci e, di conseguenza, una distanza di trasporto dei vettori ridotta.

Alcuni degli sforzi si sono concentrati sui singoli transistor descritti nel loro articolo accademico "Rubbery electronics and sensors from intrinsecamente stretchable elastomeric composites of semicondtors and conductors" in AAAS Science Advances (con ampie referenze alla fine), così come in profondità Supplementary Materials. Tuttavia, si è lavorato sull'uso di questa tecnologia per creare sensori di deformazione, pressione e temperatura.

Ad esempio, costruirono un sensore di deformazione come canale con lunghezza e larghezza rispettivamente di 50 mm e 5 mm, e spessore di circa 100 nm (Fig. 2). La resistenza elettrica del sensore è aumentata man mano che si estendeva. Quando la deformazione applicata era lungo la direzione della lunghezza del canale, la resistenza è aumentata da 0,3 a 4,6 GΩ; un aumento approssimativamente lineare della resistenza è stato ottenuto con l'allungamento meccanico.

2. Sensori di deformazione, pressione e temperatura: Illustrazione schematica esplosa del sensore di deformazione (a); fotografie dei sensori sotto diversi livelli di deformazione meccanica (b); misurazione della resistenza elettrica del sensore di deformazione sotto diversi livelli di deformazione meccanica lungo la direzione della lunghezza del canale (nero) e perpendicolare alla direzione della lunghezza del canale (blu) (c); variazione relativa della resistenza (ΔR/Ro) sotto allungamento e rilascio ciclici (d); gF del sensore di deformazione rispetto alla diversa deformazione (e); variazione della resistenza elettrica relativa (R/Ro) del sensore di pressione rispetto al tempo sotto diversi livelli di pressione (f); variazione della resistenza elettrica relativa del sensore di pressione sotto un ciclo di carico (rosso) e scarico (blu) (g); variazione della resistenza elettrica relativa del sensore di temperatura rispetto alla diversa temperatura (h). (Fonte: Università di Houston)

Per una dimostrazione più tangibile del potenziale dell'elettronica estensibile e dei sensori, il team ha equipaggiato una mano robotica (Star Wars Science, braccio robotico Darth Vader) con sensori di temperatura e pressione posizionati sulle falangi invece che sulle articolazioni delle dita, per evitare l'accoppiamento dei movimenti delle dita (Fig. 3). Questa pelle artificiale può fornire capacità come l'interpretazione dei gesti e il rilevamento tattile per i robot. I sensori di deformazione traducono direttamente un gesto in un parametro elettrico come la resistenza per fornire dati per la comprensione del linguaggio dei segni, tra le altre applicazioni.

3. Pelli robotizzate a base di gomma elastica intrinsecamente estensibile a base di elettronica: Fotografie di una mano robotica con sensori gommosi intrinsecamente estensibili (a); fotografia di sensori di deformazione situati sulle cerniere di un dito robotico (vista dall'alto a sinistra) e fotografia sovrapposta del dito robotico con diversi angoli di flessione da 0° a 90° (vista laterale a destra) (b): resistenza elettrica del sensore di deformazione sotto diversi gradi di flessione (c); dimostrazione di utilizzo di una serie di sensori di deformazione su una mano robotica per tradurre gli alfabeti del linguaggio dei segni (d). Gli schemi di inserimento della mano colorata sono valori di resistenza elettrica che corrispondono ai gesti della mano (vedi i materiali supplementari e le figg. S11 e S12 per i dettagli). Fotografie della mano robotica con la temperatura (e). (Fonte: Università di Houston)

Il ricercatore capo Cunjiang Yu, un Bill D. Cook Assistant Professor of Mechanical Engineering, ha detto che i prossimi passi comporteranno un ulteriore aumento della mobilità del vettore e la costruzione di una gerarchia più complessa e circuiti digitali integrati di alto livello.

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