Onderzoekers van de Chongqing Universiteit, in China, hebben onlangs een zelfaangedreven tribo-elektrische auditieve sensor (TAS) ontwikkeld die kan worden gebruikt om elektronische auditieve systemen te bouwen voor externe hoortoestellen in intelligente robotica-toepassingen. Hun recente studie, gepubliceerd in Wetenschap Robotica , zou kunnen bijdragen aan de totstandkoming van een nieuwe generatie auditieve systemen, het aanpakken van enkele van de belangrijkste uitdagingen op het gebied van sociale robotica.

Het auditieve systeem is het meest eenvoudige en effectieve communicatiemiddel tussen mensen en robots. Ideaal, gerobotiseerde auditieve systemen moeten robots in staat stellen om naar menselijke instructies te luisteren en tegelijkertijd hun vocale intonaties waar te nemen, om dienovereenkomstig te reageren.

Een van de belangrijkste doelen van sociale robotica is daarom het ontwerpen van auditieve sensoren die krachtig en gevoelig zijn in een breed frequentiebereik. Deze toepassingen kunnen ook de 10 procent van de wereldbevolking met gehoorproblemen ten goede komen.

"Algemeen, slechthorenden verliezen altijd een of meerdere specifieke frequentiegebieden, " vertelden de onderzoekers die de studie uitvoerden aan Tech Xplore. "Het doel van externe hoortoestellen is om de specifieke gestoorde geluidsgebieden te versterken tot het hoorbare niveau voor die mensen. Daarom, het gebruik van auditieve sensoren met frequentieselectiviteit als gehoorapparaat voor het herstellen van slechthorendheid zou de sociale interacties tussen mens en robot verbeteren."

Een extra uitdaging op het gebied van robotica heeft te maken met kracht en energie. Om met succes auditieve sensoren te ontwerpen met breedband frequentierespons en frequentieselectiviteit, onderzoekers moeten traditionele akoestische sensoren gebruiken met nauwkeurige signaalverwerkingscircuits, die het stroomverbruik verhogen en de werkperiode verkorten.

"De conventionele manier om zelfaangedreven akoestische sensoren te bouwen, is gebaseerd op het piëzo-elektrische effect en de trapeziumvormige apparaatarchitectuur, " legden de onderzoekers uit. "Echter, piëzo-elektrische sensoren hebben een vrij laag uitgangssignaal en een relatief hoog frequentiebereik in vergelijking met het frequentiebereik van de menselijke stem. In aanvulling, de multisignaalkanalen, gecompliceerd fabricageproces en piëzo-elektrische materialen aanzienlijk verbeteren hun kosten."

Om deze problemen aan te pakken, de onderzoekers ontwierpen een cirkelvormig, enkel kanaal, en zelfaangedreven auditieve sensor (TAS) die gemakkelijk te fabriceren is, gebaseerd op tribo-elektrische nanogeneratortechnologie. Nanogeneratoren zijn een soort technologie die mechanische en thermische energie omzet in elektriciteit.

Er zijn drie hoofdtypen nanogeneratoren:piëzo-elektrische, tribo-elektrisch en pyro-elektrisch. Zowel piëzo-elektrische als tribo-elektrische generatoren oogsten mechanische energie om elektriciteit op te wekken, maar terwijl de eerste dit doen door middel van een nanogestructureerd piëzo-elektrisch materiaal, tribo-elektrische bereiken dit via een combinatie van de tribo-elektrificatie en elektrostatische inductie-effecten.

"De hoogtepunten van ons TAS-apparaat zijn de zelfaangedreven detectie en aanpasbare spectrumeigenschappen, " legden de onderzoekers uit. "TAS heeft een trillingsmembraan bedekt met een geleidende laag en een onderste geleidende laag bedekt met een tribo-materiaallaag. Wanneer onder akoestische golf, de membraantrilling veroorzaakt contact tussen het membraan en het tribo-materiaal, lastenverdeling creëren. Door het elektrostatische inductie-effect, de trilling zou signaaluitvoer genereren via twee geleidende lagen. Voor elk vast membraan, er zou een specifiek trillingskarakter zijn. Door de eenvoudige structuur van TAS, we kunnen de randvoorwaarde van het membraan ontwerpen om het aanpasbare spectrum te realiseren dat we nodig hebben."

Wanneer getest, de door de onderzoekers ontwikkelde sensor produceerde een hoog uitgangssignaal, de frequentierespons van de raadsband, en frequentieselectiviteitseigenschap in het menselijke stembereik. Hun sensor is ook relatief eenvoudig te bouwen en biedt een aanpasbaar spectrum in een apparaat met één kanaal.
"Het hoge uitgangssignaal en het enkele kanaal kunnen de signaalverwerking grotendeels verminderen, waardoor het stroomverbruik wordt verminderd, " zeiden de onderzoekers. "De gebruikte materialen en de gemakkelijke fabricage ervan verbeteren de haalbaarheid van het ontwerpen van transparante auditieve systemen en een breed scala aan andere apparaten. We denken dat deze techniek een kosten-economisch en energie-efficiënt auditief systeem kan opleveren voor zowel robot- als gehoorapparaattoepassingen."

Het werk van dit team van onderzoekers benadrukt het aanzienlijke potentieel van tribo-elektrische nanogeneratortechnologie om uitdagingen op het gebied van sociale robotica aan te gaan en effectievere hoortoestellen te bouwen. Ze plannen nu de ontwikkeling van nieuwe sensoren voor een verscheidenheid aan mens-robot-interacties, terwijl ze hun recent ontwikkelde technologie richting industrialisatie duwen.

© 2018 Tech Xplore