28/04/2022
Door Ad Spijkers
Nieuwe methode van miniaturisering laat kunsthuid met microhaartjes voelen uit welke richting een aanraking komt
Wetenschappers van de Technische Universität Chemnitz en het Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) hebben een nieuwe benadering ontwikkeld voor miniaturisering van compacte en geïntegreerde sensoreenheden voor gerichte stimulusgevoeligheid in elektronische huidsystemen (e-skin) met geïntegreerde haren. Een mens kan meestal de geringste aanraking van de haren op de arm kan voelen en ook de richting van de aanraking toewijzen.
Maar technologisch was het nog niet mogelijk om de richting van tactiele invloeden op e-skin-oppervlakken te detecteren. Daarom is de elektronische huid momenteel nauwelijks in staat om de volledige informatie-inhoud van een aanraking waar te nemen.
Elektronische huid
E-skins zijn flexibele elektronische systemen die de gevoeligheid van een echte organische huid kunnen nabootsen. De toepassingsgebieden variëren van huidvervangers en toepassingen als medische sensoren op het lichaam tot kunstmatige huid voor bijvoorbeeld humanoïde machines zoals humanoïde robots en androids.
Het onderzoeksteam heeft een methode ontwikkeld voor een extreem gevoelige eenheid van richtingafhankelijke magnetische 3D-sensoren, die kunnen worden geïntegreerd in een E-Skin-systeem. Ze gebruikten een nieuwe integratiebenadering voor miniaturisering en compacte opstelling van micro-elektronische componenten. De onderzoekers komen daarmee een grote stap dichter bij de echte aanrakingsgevoeligheid van de organische huid.
De aanpak maakt de precieze rangschikking in drie dimensies mogelijk van functionele sensorelementen, die in een parallelle processtap op een chip kunnen worden geproduceerd. Dergelijke sensorsystemen zijn moeilijk te produceren met conventionele micro-elektronica-methoden.
Origami-technologie
De kern van het nieuwe sensorsysteem is een anisotrope magnetoresistieve sensor. Hiermee kunnen veranderingen in magnetische velden nauwkeurig worden bepaald. Ze worden momenteel bijvoorbeeld gebruikt als snelheidssensoren in auto's of om de positie en hoek van bewegende onderdelen in machines te bepalen.
Om hun compacte sensorsysteem te ontwikkelen, gebruikten de onderzoekers het zogenaamde 'micro-origami-proces'. Deze methode wordt gebruikt om verschillende sensorcomponenten op een chip automatisch te ontvouwen tot een driedimensionale kubusstructuur die het magnetische vectorveld kan oplossen. Met deze methode passen veel micro-elektronische componenten in de kleinste ruimtes met geometrieën die niet kunnen worden gerealiseerd met conventionele microchipproductieprocessen.
Micro-origamische processen werden meer dan twintig jaar geleden voor het eerst ontwikkeld maar het volledige potentieel van deze technologie kan nu pas worden gebruikt voor nieuwe micro-elektronische toepassingen.
Het onderzoeksteam integreerde de magnetische micro-origami-sensoren in een actieve elektronische matrix, waarmee elk afzonderlijk sensorelement gemakkelijk kan worden aangesproken en uitgelezen met behulp van elektronische schakelingen. De combinatie van een actieve sensormatrix met zelforganiserende micro-origami-componenten is een nieuwe benadering van de miniaturisatie en integratie van 3D-sensorsystemen met hoge resolutie.
Real-time richting voelen
Het onderzoeksteam is erin geslaagd om de 3D magneetveldsensoren met de fijne kunsthaartjes te integreren in een kunsthuid. De haren waren elk voorzien van een magnetische wortel. De huid bestaat uit een elastische polymeermatrix waarin elektronica en sensoren zijn geïntegreerd. Dit is vergelijkbaar met echte organische huid waarin de zenuwen en sensorische cellen zijn ingebed.
Als de kleine haartjes licht worden aangeraakt, bewegen de magnetische wortels in een bepaalde richting. De posities hiervan kunnen nauwkeurig worden bepaald door de magnetische veldsensoren eronder. Dit betekent dat de sensormatrix niet alleen de bewegingen van het haar registreert, maar ook hun richting. Net als bij de echte huid wordt elke haar op een e-skin zijn eigen sensoreenheid die veranderingen in de directe omgeving kan waarnemen, afhankelijk van de richting.
De magneto-mechanische koppeling tussen de 3D-magneetveldsensor en de magnetische haarwortel rust maakt van een e-skin een nieuwe vorm van aanraakgevoelige waarneming. Dit vermogen is bijvoorbeeld van belang wanneer mens en robot nauw samenwerken en een robot zijn menselijke tegenhanger voorspellend en nauwkeurig moet waarnemen kort voor een gewenst contact of een gevaarlijke botsing.
Foto: Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, TU Chemnitz