Sensoren uit gevoelig keramiek

U wilt robots die aanrakingen 'voelen' en temperatuurverschillen waarnemen? Een onverwacht materiaal maakt dit mogelijk.

Bij  ‘keramiek’ denken de meeste mensen ze aan koffiekopjes, badkamertegels of bloempotten. Maar volgens onderzoekers van het Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) kan keramiek elektriciteit geleiden, intelligent zijn en zelfs voelen. Ze ontwikkelen zachte sensormaterialen op basis van keramiek, die bijvoorbeeld temperatuur, spanning, druk of vochtigheid'voelen'. Dat maakt de materialen interessant voor gebruik in de geneeskunde en zachte robotica. Empa heeft vestigingen in Dügendorf (bij Zürich), St. Gallen en Thun.

Zacht keramiek

De materiaalonderzoekers zien keramiek als een anorganisch, niet-metaalachtig materiaal dat wordt geproduceerd uit een verzameling losse deeltjes in een sinterproces bij hoge temperaturen. De samenstelling van keramiek kan variëren, en daarmee veranderen ook de eigenschappen. In het Labor für Hochleistungskeramik van Empa zult u tevergeefs zoeken naar aardewerk en porselein. De onderzoekers werken met materialen als kaliumnatriumniobaat ((K_1-xNa_xNbO₃) en zinkoxide (ZnO), maar ook met koolstofdeeltjes.

Geen van deze materialen is zacht. Om zachte sensoren te produceren, hebben de onderzoekers ze ingebed in rekbare kunststoffen. Ze nemen een matrix van thermoplastisch materiaal en vullen deze met zoveel mogelijk keramische deeltjes zonder de elasticiteit van de matrix aan te tasten. Als deze sterk gevulde matrix vervolgens wordt uitgerekt, samengedrukt of wordt blootgesteld aan temperatuurschommelingen, verandert de afstand tussen de keramische deeltjes en daarmee de elektrische geleidbaarheid van de sensor. De onderzoekers benadrukken dat niet de hele matrix gevuld hoeft te worden met keramiek. Met behulp van 3D-printen kunnen ze de keramische sensoren ook inbedden in flexibele componenten als een soort 'zenuwbaan'.

Selectief en intelligent

De productie van zachte keramische sensoren is niet alledaags. In de regel zijn zachte sensoren tegelijkertijd gevoelig voor verschillende omgevingsinvloeden, zoals temperatuur, uitzetting en vocht. Maar om ze in de praktijk te gebruiken, moet de gebruiker weten wat hij meet. De onderzoekers zijn er in geslaagd zachte sensoren te maken die selectief alleen op druk of alleen op temperatuur reageren. Ze onderzoekers integreerden deze sensoren in een handprothese. De prothese 'voelt' het buigen van de vingers en merkt wanneer deze een heet oppervlak raakt. Een dergelijke 'gevoeligheid' zou gunstig zijn voor zowel robotgrijpers als menselijke prothesen.

Het onderzoeksteam ging nog een stap verder door een zachte 'robothuid' te ontwikkelen. Net als de menselijke huid reageert de meerlaagse kunststof huid op aanraking en temperatuurverschillen. Om de complexe data te evalueren, ontwikkelden de onderzoekers samen met onderzoekers van de University of Cambridge een AI-model. Ze trainden dit met behulp van gegevens uit zo’n 4.500 metingen. Ook dit doet denken aan de menselijke waarneming, omdat ook de zenuwimpulsen van onze huid in de hersenen worden geëvalueerd en geëxtrapoleerd.

In hun nieuwste project konden de onderzoekers keramische sensoren combineren met kunstmatige spieren. Samen met onderzoekers van de Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ) en de Universiteit van Tokio hebben ze een biohybride robot ontwikkeld. Deze detecteert de contractietoestand van deze spieren met behulp van een zachte, biocompatibele, in weefsel geïntegreerde piëzoresistieve sensor.

Veilige interactie

Het doel is een veilige en harmonieuze samenwerking tussen mens en machine. De robotsystemen van vandaag zijn groot, omvangrijk, sterk en kunnen gevaarlijk zijn voor de mens. Om onze werkplekken in de toekomst vaker met robots te kunnen delen, moeten ze snel en gevoelig op aanraking reageren. Als u per ongeluk een ander aanraakt, trekt u zich automatisch onmiddellijk terug. De onderzoekers willen robots dezelfde reflex geven.

Daartoe zijn de onderzoekers nu op zoek naar industriële partners op het gebied van robotachtige grijpsystemen. Maar ook in de geneeskunde is er vraag naar zachte sensoren. Het team voltooide onlangs een Innosuisse-project met Idun Technologies in Glattpark (bij Zürich), waarin ze flexibele elektroden produceerden voor hersengolfmetingen.

Het werk is nog lang niet af. De onderzoekers willen hun zachte keramische sensoren nog gevoeliger en intelligenter maken. Om dit te bereiken is het belangrijk om nieuwe keramische materialen en zachte polymeren te combineren en hun sensoreigenschappen te optimaliseren. Het geheim van succes schuilt in de interactie van deze twee componenten.

Foto: Empa