Sensore che rileva la struttura senza toccare

I sensori tattili che non necessitano nemmeno del contatto diretto offrono una nuova sensibilità per il riconoscimento delle strutture robotiche 3D e la trasmissione wireless dei dati

Il rapido progresso nella bionica intelligente ha elevato la pelle elettronica a un componente fondamentale nei robot bionici, consentendo risposte rapide a diversi stimoli esterni. La combinazione di sensori tattili indossabili con la tecnologia IoT (Internet of Things) pone le basi per ottenere la versatile funzionalità della pelle elettronica. Tuttavia, la maggior parte dei sensori tattili attuali si basa su deformazioni dello strato capacitivo indotte dalla pressione, che portano a cambiamenti nei valori di capacità. Sfortunatamente, sensori di questo tipo spesso incontrano limitazioni nelle applicazioni pratiche a causa delle loro capacità di rilevamento uniformi.

Un tipo radicalmente nuovo di sensore tattile per la robotica e altre applicazioni biomimetiche (bioniche) è così sensibile che funziona anche senza contatto diretto tra il sensore e gli oggetti rilevati. Rileva l'interferenza nel campo elettrico tra un oggetto e il sensore, fino a 100 millimetri dall'oggetto. I ricercatori della Qingdao University in Cina, con collaboratori altrove in Cina e Corea del Sud, descrivono la loro innovazione nella rivista Science and Technology of Advanced Materials (1).

Le skin elettroniche sono diventate un elemento cruciale nei robot bionici, consentendo loro di rilevare e reagire prontamente agli stimoli esterni. Ciò può consentire ai sistemi robotici di analizzare la forma di un oggetto e, se necessario, anche di prenderlo e manipolarlo.

I sensori nella maggior parte dei sistemi attuali si basano sul tocco diretto che provoca una deformazione fisica di uno strato di contatto, portando a cambiamenti nella capacità elettrica. Sfortunatamente, l’uniformità della risposta alle diverse regioni limita la sensibilità e le capacità complessive di tali sistemi.

«Per offrire maggiore sensibilità e versatilità abbiamo sviluppato nuove pellicole composite con proprietà elettriche sorprendenti e molto utili», afferma il dottor Xinlin Li (2) del team della Qingdao University.

L’aspetto più sorprendente è arrivato quando i ricercatori hanno combinato due materiali con un’elevata costante dielettrica – una misura della loro risposta ai campi elettrici. Questo composito aveva una costante dielettrica inaspettatamente bassa, un risultato controintuitivo che è ideale per realizzare un sensore più sensibile ai campi elettrici.

Il composito è costituito da piccole quantità di nitruro di carbonio grafitico aggiunto al polidimetilsilossano. Può essere realizzato ed elaborato mediante uno specifico metodo di stampa 3D, chiamato stampa a erogazione, che offre un controllo accurato sulla struttura e sul motivo dell’inchiostro ad alta viscosità stampato. Il team lo ha utilizzato per creare una griglia in grado di rilevare gli oggetti a una distanza compresa tra 5 e 100 millimetri dalla superficie dell’oggetto. Hanno testato le capacità della griglia utilizzando le dita dei ricercatori come oggetti rilevati, mentre si avvicinavano alla griglia ma senza effettivamente entrare in contatto.

«Le prestazioni sono state eccezionali, in termini di sensibilità, velocità di risposta e solida stabilità durante molti cicli di utilizzo», afferma Li. «Ciò apre nuove possibilità nel campo degli oggetti indossabili e della pelle elettronica». Aggiunge che è adatto per realizzare i sensori fisicamente flessibili necessari per le tecnologie indossabili. Questi potrebbero essere applicati per il monitoraggio medico o per usi più generali nell’ “Internet delle cose” (IoT) in rapido sviluppo, che comporta il controllo remoto di un’ampia varietà di apparecchi.

L'integrazione della griglia di rilevamento in un circuito stampato ha consentito di trasmettere i dati raccolti sulle reti 4G ampiamente utilizzate dai telefoni cellulari.

Il team ora prevede di perfezionare la tecnologia con l’obiettivo di svilupparne l’idoneità alla produzione di massa. Vogliono anche esplorare ulteriori possibilità oltre al semplice rilevamento di forma e movimento.

Ad esempio, diverse unità nella serie di sensori hanno la capacità di rispondere in sequenza, il che offre la possibilità di realizzare interazioni uomo-computer, come il riconoscimento dei gesti. Le prestazioni dei sensori nel sistema a contatto e senza contatto riflettono anche il suo potenziale nel rilevamento del movimento umano, come l’evitamento degli ostacoli e il monitoraggio dell’andatura, che potrebbe essere applicato nell’assistenza medica intelligente.

Informazioni su Science and Technology of Advanced Materials (STAM)

La rivista ad accesso aperto STAM pubblica articoli di ricerca eccezionali su tutti gli aspetti della scienza dei materiali, compresi materiali funzionali e strutturali, analisi teoriche e proprietà dei materiali.

Riferimenti:

(1) Fully printed non-contact touch sensors based on GCN/PDMS composites: enabling over-the-bottom detection, 3D recognition, and wireless transmission

(2) Xinlin Li

Descrizione foto: Riconoscimento delle dita 3D e trasmissione dei dati a un telefono cellulare. - Credit: Qingdao University.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Sensing structure without touching