Uniek sensorsysteem reageert 1, 000 keer sneller dan de menselijke tastzin, de snelste ooit behaald voor een e-skin

Robots en prothetische apparaten kunnen binnenkort een tastzin hebben die vergelijkbaar is met, of beter dan, de menselijke huid met de Asynchronous Coded Electronic Skin (ACES), een kunstmatig zenuwstelsel ontwikkeld door een team van onderzoekers van de National University of Singapore (NUS).

Het nieuwe elektronische skin-systeem bereikte een ultrahoge responsiviteit en robuustheid bij schade, en kan worden gecombineerd met elk soort sensorhuidlaag om effectief te functioneren als een elektronische huid.

de innovatie, bereikt door assistent-professor Benjamin Tee en zijn team van de afdeling Materials Science and Engineering aan de NUS-faculteit Ingenieurswetenschappen, werd voor het eerst gerapporteerd in prestigieus wetenschappelijk tijdschrift Wetenschap Robotica op 18 juli 2019.

Sneller dan het menselijke sensorische zenuwstelsel

"Mensen gebruiken onze tastzin om bijna elke dagelijkse taak uit te voeren, zoals het pakken van een kopje koffie of het maken van een handdruk. Zonder het, we verliezen zelfs ons evenwichtsgevoel tijdens het lopen. evenzo, robots moeten tastzin hebben om beter met mensen om te kunnen gaan, maar robots kunnen vandaag de dag nog steeds niet goed objecten voelen, " verklaarde Asst Prof Tee, die al meer dan tien jaar aan elektronische huidtechnologieën werkt in de hoop robots en prothetische apparaten een beter tastgevoel te geven.

Geïnspireerd door het menselijke sensorische zenuwstelsel, het NUS-team heeft anderhalf jaar besteed aan het ontwikkelen van een sensorsysteem dat mogelijk beter zou kunnen presteren. Terwijl het elektronische zenuwstelsel van ACES signalen detecteert zoals het zenuwstelsel van de menselijke sensor, het bestaat uit een netwerk van sensoren die zijn verbonden via een enkele elektrische geleider, in tegenstelling tot de zenuwbanen in de menselijke huid. Het is ook anders dan bestaande elektronische skins die onderling verbonden bedradingssystemen hebben waardoor ze gevoelig kunnen zijn voor schade en moeilijk op te schalen zijn.

Voortbordurend op de inspiratie, assistent-professor Tee, die ook aanstellingen heeft bij de NUS-afdeling Electrical and Computer Engineering, NUS Institute for Health Innovation &Technology (iHealthTech), N.1 Institute for Health en het programma Hybrid Integrated Flexible Electronic Systems (HiFES), zei, "Het menselijke sensorische zenuwstelsel is uiterst efficiënt, en het werkt altijd in die mate dat we het vaak als vanzelfsprekend beschouwen. Het is ook zeer robuust om te beschadigen. Onze tastzin, bijvoorbeeld, wordt niet beïnvloed als we een snijwond oplopen. Als we kunnen nabootsen hoe ons biologische systeem werkt en het nog beter maken, we kunnen enorme vooruitgang boeken op het gebied van robotica waar voornamelijk elektronische skins worden toegepast."

ACES kan aanrakingen van meer dan 1 detecteren 000 keer sneller dan het menselijke sensorische zenuwstelsel. Bijvoorbeeld, het is in staat om fysieke contacten tussen verschillende sensoren te onderscheiden in minder dan 60 nanoseconden - de snelste die ooit is bereikt voor een elektronische huidtechnologie - zelfs met grote aantallen sensoren. ACES-enabled skin kan ook nauwkeurig de vorm identificeren, textuur en hardheid van objecten binnen 10 milliseconden, tien keer sneller dan een oogwenk. Dit wordt mogelijk gemaakt door de hoge betrouwbaarheid en opnamesnelheid van het ACES-systeem.

Het ACES-platform kan ook worden ontworpen om een ​​hoge robuustheid te bereiken tegen fysieke schade, een belangrijke eigenschap voor elektronische skins omdat ze in veelvuldig fysiek contact komen met de omgeving. In tegenstelling tot het huidige systeem dat wordt gebruikt om sensoren in bestaande elektronische skins met elkaar te verbinden, alle sensoren in ACES kunnen worden aangesloten op een gemeenschappelijke elektrische geleider waarbij elke sensor onafhankelijk werkt. Hierdoor kunnen ACES-compatibele elektronische skins blijven functioneren zolang er één verbinding is tussen de sensor en de geleider, waardoor ze minder kwetsbaar zijn voor schade.

Slimme elektronische skins voor robots en protheses

Het eenvoudige bedradingssysteem van ACES en het opmerkelijke reactievermogen, zelfs met een toenemend aantal sensoren, zijn belangrijke kenmerken die de opschaling van intelligente elektronische skins voor kunstmatige intelligentie (AI)-toepassingen in robots, zullen vergemakkelijken. prothetische apparaten en andere mens-machine-interfaces.

"Schaalbaarheid is een kritische overweging, aangezien grote stukken hoogwaardige elektronische skins nodig zijn om de relatief grote oppervlakken van robots en prothetische apparaten te bedekken, " legt assistent-professor Tee uit. "ACES kan gemakkelijk worden gecombineerd met elk soort sensorhuid, bijvoorbeeld, die ontworpen zijn om temperaturen en vochtigheid waar te nemen, om een ​​hoogwaardige elektronische skin met ACES-ondersteuning te creëren met een uitzonderlijk tastgevoel dat voor een breed scala aan doeleinden kan worden gebruikt, " hij voegde toe.

Bijvoorbeeld, ACES koppelen aan de transparante, zelfherstellende en waterbestendige sensor huidlaag ook recentelijk ontwikkeld door het team van Asst Prof Tee, creëert een elektronische huid die zichzelf kan herstellen, zoals de menselijke huid. Dit type elektronische huid kan worden gebruikt om realistischere prothetische ledematen te ontwikkelen die personen met een handicap zullen helpen hun tastzin te herstellen.

Andere mogelijke toepassingen zijn onder meer de ontwikkeling van intelligentere robots die noodhersteltaken kunnen uitvoeren of alledaagse handelingen, zoals het verpakken van artikelen in magazijnen, kunnen overnemen. Het NUS-team wil daarom het ACES-platform verder toepassen op geavanceerde robots en prothetische apparaten in de volgende fase van hun onderzoek.