Omdat robotachtige apparaten zoals kunstmatige protheses en mens-computerinterfaces steeds meer in de samenleving worden geïntegreerd, hebben onderzoekers dieper gekeken naar de gevoeligheid van de apparaten die dezelfde functie hebben als handen. Menselijke vingertoppen zijn opmerkelijk gevoelig. Ze kunnen details van een object zo klein als 40 m (ongeveer de helft van de breedte van een mensenhaar) communiceren, subtiele verschillen in oppervlaktetexturen onderscheiden en net genoeg kracht uitoefenen om een ​​ei of een zak hondenvoer van 20 pond op te tillen zonder uitglijden. Ze kunnen ook relatief gemakkelijk objecten manipuleren.

Ingenieurs hebben met wisselend succes gewerkt aan het nabootsen van dit vermogen voor eventueel robot- of prothetisch gebruik. Aan de Universiteit van Michigan heeft prof.dr. P.C. Ku en zijn groep hebben onlangs een verbeterde methode voor tactiele detectie gerapporteerd die zowel richtingsgevoeligheid als kracht detecteert met een hoge mate van gevoeligheid. De hoge resolutie van het systeem maakt het uitermate geschikt voor robot- en HCI-toepassingen. Het is ook relatief eenvoudig te vervaardigen.

"We overbruggen de kloof tussen mensen en computers, dus misschien kunnen we een robot leren objecten te voelen op een manier die dichter bij onze eigen mogelijkheden ligt", zegt promovendus Nathan Dvořák.

Dvořák is lid van een team onder leiding van Prof. P.C. Ku die de afgelopen jaren tactiele sensoren hebben ontwikkeld. Ze zijn de eersten die een zeer gevoelige tastzin en richtingsgevoeligheid integreren met behulp van asymmetrische nanopilaren, zodat een prothese een vallend voorwerp steviger kan vastpakken, of een mens-computerinterface kan een opgaande en vallende beweging onderscheiden.

Als proof of concept bouwde het team een ​​sensor, ongeveer zo groot als een vingertop, die 1,6 miljoen galliumnitride (GaN) nanopilaren bevat. GaN werd gebruikt vanwege zijn vermogen om kracht te meten via zijn aangeboren piëzo-elektrische eigenschap, wat inhoudt dat het een elektrische lading kan genereren bij stress.

De elliptische vorm en rangschikking van de nanopilaren zijn de sleutel tot het succes ervan bij het detecteren van directionaliteit.

De kleinste eenheid is de nanopijler. Elke nanopijler heeft een elliptische vorm en is 450 nm lang, wat ongeveer 1000x kleiner is dan de breedte van mensenhaar. En elke nanopijler is uitgerust met zijn eigen LED.

De nanopillars zijn gegroepeerd in individuele arrays in de vorm van een rechthoek, 100×150 nanopillars of 12.500 nanopillars per array. Elke array wordt vervolgens dicht bij elkaar gegroepeerd met een tweede array loodrecht erop. Deze opstelling is de sleutel tot het vermogen om richting te detecteren. De twee orthogonale arrays worden een knoop genoemd.

Een complete sensor bestaat uit 64 knooppunten in de vorm van een vierkant.

Wanneer er kracht op de nanopilaren wordt uitgeoefend, verandert dit de lichtintensiteit die door de nanopilaren wordt uitgestraald, zoals te zien is in de video.

Omdat de sensor de richting van de kracht kan bepalen, kan hij een toekomstig prothese-apparaat waarschuwen of een object door zijn greep kan vallen, waardoor een strakkere greep nodig is.

Het systeem vereist geen complexe elektrische verbindingen, die een zeer hoge productie-uniformiteit vereisen. Het maakt ook gebruik van bekende productiemethoden die gemakkelijk herhaalbaar zijn.

"En we hoeven geen 100% rendement op onze apparaten te hebben, of zelfs maar in de buurt te komen", zei Dvořák. "Op een van mijn huidige apparaten zitten 1,6 miljoen nanopijlers op de sensor, en het is nog steeds effectief, zelfs als 25% van de nanopijlers in een array tijdens de productie wordt beschadigd, omdat we de verandering van lichtintensiteit detecteren in plaats van de absolute lichtintensiteit."

De sensor kon objecten van slechts 4,3 m onderscheiden, waardoor hij bijna 10x gevoeliger is dan die van een menselijke vingertop. En het kan het gewicht detecteren van een voorwerp dat lijkt op een paperclip, of ongeveer 0,1 gram.

De huidige proof of concept maakt gebruik van een kant-en-klare imager om de verandering in licht te detecteren die optreedt wanneer het oppervlak wordt aangeraakt.

"We werken nu aan de ontwikkeling van een compleet systeem", zegt Dvořák. Nadat hij het huidige systeem met elektriciteit heeft laten werken, monteert hij de sensor op een CMOS-imager die de veranderingen in lichtintensiteit registreert, en verbindt deze met een microprocessor voor geautomatiseerde informatieverwerking.

Het onderzoek wordt beschreven in "Ultrathin Tactile Sensors with Directional Sensitivity and a High Spatial Resolution", gepubliceerd in Nano Letters . + Verder verkennen

Insectenvleugels bevatten antimicrobiële aanwijzingen voor verbeterde medische implantaten