El diseño del sensor imita el tacto humano. que está inspirado en los bebés recién nacidos

UNIVERSITY PARK, Pa. — A medida que avanzamos hacia un mundo donde la interacción hombre-máquina se vuelve más prominente, También es probable que aumente la demanda de sensores de presión que puedan analizar y simular el contacto humano.

Uno de los desafíos que enfrentan los ingenieros es la dificultad de crear sensores altamente sensibles y rentables necesarios para aplicaciones como la detección de pulso sensible. Usando las extremidades del robot y crear balanzas de resolución ultra alta. Sin embargo, un equipo de investigadores ha desarrollado un sensor que puede hacer todo el trabajo.

Investigadores de Penn State y la Universidad Tecnológica de Hebei en China querían crear un sensor altamente sensible y confiable en una variedad de aplicaciones. Tiene resolución de alta presión. y puede trabajar bajo precarga de alta presión

«El sensor puede detectar pequeñas presiones cuando se han aplicado grandes presiones», dijo Huanyu «Larry» Cheng, profesor asociado de ingeniería y mecánica James L. Henderson Jr. Memorial en Penn State y coautor de un artículo sobre el trabajo. fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza. “La analogía que me gusta usar es Es como detectar moscas en un elefante. Puede medir pequeños cambios de presión. Así como nuestra piel se mide por nuestro tacto”.

Cheng se inspiró para desarrollar estos sensores a partir de una experiencia personal: el nacimiento de su segunda hija.

La hija de Cheng perdió el 10% de su peso corporal inmediatamente después del nacimiento. Luego, el médico le pidió que pesara al bebé cada dos días para controlar la pérdida o el aumento de peso. Cheng intentó esto pesándose en una báscula casera. Luego pésate mientras sostienes a tu hija para medir el peso del bebé.

“Me di cuenta de que cuando puse a mi hija sobre la manta, Cuando ya no te sostengo Su peso no cambió», dijo Cheng. «Así que aprendimos que probar tamaños comerciales no funcionaba. Pero no se detectó ningún cambio en la presión”.

Después de probar muchos enfoques diferentes, descubrieron que utilizar un sensor de presión que constaba de una estructura de micropirámide de gradiente y una capa iónica ultrafina para proporcionar una respuesta capacitiva era un enfoque prometedor.

Sin embargo, siguen enfrentando problemas. La alta sensibilidad de la microestructura disminuye al aumentar la presión. Y la microestructura aleatoria generada por los materiales naturales da como resultado una deformación incontrolada y un rango lineal estrecho. En otras palabras, cuando se presiona el sensor, Cambiará la forma del sensor. y por lo tanto cambia el área de contacto entre las microestructuras y reduce la lectura.

Para abordar estos desafíos Los científicos han diseñado un modelo microestructural que puede aumentar el rango lineal sin reducir la sensibilidad. Básicamente, esto hace que el formato sea flexible. Por lo tanto, todavía puede funcionar al nivel de presión que existe en el mundo real. Su estudio exploró el uso de un láser de CO2 con un haz gaussiano para crear estructuras programables, como microestructuras piramidales de gradiente (GPM), para sensores iontrónicos. Es un dispositivo electrónico suave que puede imitar la función sensorial de la piel humana. Este proceso reduce el costo y la complejidad del proceso en comparación con la litografía óptica. Este es un método comúnmente utilizado para preparar patrones de microestructura fina para sensores.

Cheng le da crédito a Ruoxi Yang, un estudiante de posgrado en su laboratorio y primer autor del estudio, por haber impulsado la solución.

“Yang es un estudiante muy inteligente que presentó la idea de resolver este problema de sensor. Las piezas se unen y están inteligentemente diseñadas juntas», dijo Cheng. «Sabíamos que la estructura tenía que ser a microescala y tenía que tener un diseño sensible. Pero diseñar u optimizar la estructura es difícil. Y trabajó con los sistemas láser que tenemos en nuestro laboratorio para que esto sea posible. Ella trabaja muy duro en Fue hace sólo unos años y se pudieron explorar varios parámetros. todos estos y puede filtrar rápidamente a través de este espacio de parámetros para encontrar y mejorar el rendimiento”.

Este sensor optimizado tiene un tiempo de respuesta y recuperación rápidos. y excelente repetibilidad El equipo probó esto detectando pequeños ritmos y utilizando manos robóticas interactivas. y crear básculas de ultra alta resolución y sillas inteligentes. Los científicos también descubrieron que el enfoque de fabricación y el conjunto de herramientas de diseño propuestos en este trabajo se pueden utilizar fácilmente para ajustar el rendimiento de los sensores de presión para diferentes aplicaciones objetivo. y abre la posibilidad de crear otros sensores iontrónicos. que son varios sensores que utilizan líquidos iónicos, como capas iónicas ultrafinas, además de habilitar futuras básculas donde los padres puedan pesar a sus bebés más fácilmente Estos sensores también tienen otros usos.

“También podemos detectar no sólo el pulso en la muñeca. Pero también detecta otras estructuras vasculares periféricas como las cejas y las yemas de los dedos», dijo Cheng. «También lo combinamos con un sistema de control para mostrar que este es un posible uso futuro para la colaboración interactiva entre humanos y robots. También imaginamos otras aplicaciones de atención médica. , como por ejemplo para personas que han perdido una extremidad. Y este sensor puede ser parte de de un sistema que les permita controlar las extremidades del robot”.

Cheng señaló otras posibles aplicaciones, como sensores para medir el pulso de una persona en situaciones laborales de alto estrés, como la búsqueda y rescate después de un terremoto. o realizar trabajos difíciles y peligrosos en obras de construcción

El equipo de investigación utilizó simulación por computadora y diseño asistido por computadora. para ayudarlos a explorar ideas para estos nuevos sensores, lo cual, según Cheng, fue una tarea desafiante considerando todas las posibles soluciones de sensores. Esta asistencia electrónica ayudará a impulsar aún más la investigación.

“Creo que en el futuro es posible mejorar aún más el modelo y poder soportar sistemas más complejos. Entonces definitivamente podremos entender cómo fabricar mejores sensores”, afirmó Cheng.

Además de Cheng y Yang, otros autores En el estudio de Penn State estaban Ankan Dutta, Bowen Li, Naveen Tiwari, Wanqing Zhang, Zhenyuan Niu, Yuyan Gao, Daniel Erdely y Xin Xin y de la Universidad de Hebei, Tiejun Li.