Eine neue Art und Weise, Sensoren für Roboter herzustellen
25. März 2020Eine neue Art und Weise, Sensoren für Roboter herzustellen
New York, 25.3.2020
Inspiriert durch den natürlichen Wundheilungsprozess des Körpers haben Roboterforscher der Yale University eine sicherere und schnellere Methode zur Herstellung von Sensoren auf weichen, verformbaren Strukturen entwickelt.
Die Methode, die im Labor von Rebecca Kramer-Bottiglio, der John J. Lee Assistant Professor of Mechanical Engineering & Materials Science, entwickelt wurde, kann zur Sensorisierung von weichen Robotern und Wearables eingesetzt werden. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Science Robotics veröffentlicht.
Viele Soft-Robotik-Systeme benötigen integrierte Sensoren, die sich entlang von Oberflächenkonturen dehnen und anpassen können. In den letzten zehn Jahren sind Verbundwerkstoffe aus Polymer und leitfähigen Füllstoffen aufgrund ihrer Fähigkeit, den Prozess zu verbessern, zu einer beliebten Wahl für tragbare, dehnbare Sensoren geworden. Der Herstellungsprozess kann jedoch umständlich sein, und die dabei verwendeten Lösungsmittel sind häufig giftig und für den Roboter oder den Träger schädlich . Wenn beispielsweise eine typische leitfähige Tinte direkt auf einen Latexballon aufgetragen wird, würde der Ballon aufgrund des in der Tinte enthaltenen konventionellen Lösungsmittels sofort platzen.
Die Forscher entwickelten ein Verfahren, bei dem eine Mischung aus Ethanol verwendet wird, die mit Polymerharzpartikeln gefüllt ist, die mit noch kleineren Ruß-Nanopartikeln beschichtet sind. Beim Drucken verschmelzen das Polymer und der Ruß spontan zu einem leitenden Material, während das Ethanol verdampft. Da das Lösungsmittel als Träger und nicht zum Zwecke der Verdünnung des Polymers verwendet wird, können sichere Lösungsmittel verwendet werden.
Die Forscher modellierten ihre Methode nach dem Vorbild der Hämostase, dem körpereigenen System zur Wundheilung, bei dem das Plasma Blutplättchen trägt, die sich an der Verletzungsstelle absetzen. Da mikroskopisch kleine Substanzen direkt transportiert werden und ihre spontane Gerinnung erfolgt, ist dies ein schneller und effizienter Prozess.
„Analog zum Plasma ist das Ethanol, das die Ruß-Nanopartikel und das Polymerharz trägt, die als Proteine oder Thrombozyten im Blut wirken, und diese werden an der Ziel- oder Druckstelle abgelagert“, sagte Sang Yup Kim, ein Postdoc im Labor von Kramer-Bottiglio und Hauptautor der Studie.
Die Forscher schufen die flexibel reagierenden Sensoren, indem sie die blutähnliche Emulsionstinte direkt auf weiche Polymermaterialien, darunter weiche Aktoren und herkömmliche Textilien, druckten. Die daraus resultierenden Sensoren waren hoch empfindlich und reagierten nur geringfügig verzögert, was sie für weiche Roboteranwendungen und tragbare Robotervorrichtungen nutzbar macht.
„Wir glauben, dass dieses Ergebnis ein bedeutender Schritt in Richtung weiche Sensoren in kommerzielle Plattformen ist“, sagte Kramer-Bottiglio. „Die Möglichkeit, nützliche Sensoren mit ungiftigen, sicheren Lösungsmitteln einfach auf jedes beliebige Substrat zu drucken, macht das Verfahren zu einer praktikablen Lösung für diejenigen, die keinen Zugang zu spezialisierten Laborumgebungen haben“.
