Imitando a sensibilidade dos dedos humanos e senso de direção para aplicativos robóticos

Imagens de microscópio eletrônico de varredura dos LEDs nanopilares de formato elíptico. As duas imagens da esquerda mostram as imagens de alta resolução dos dois LEDs que consistem em nanopilares orientados ortogonalmente. A imagem da direita mostra uma parte de uma matriz nanopilar, cada uma contendo 12.500 nanopilares. Crédito:Universidade de Michigan

À medida que dispositivos robóticos, como próteses artificiais e interfaces homem-computador, estão cada vez mais integrados à sociedade, os pesquisadores vêm analisando mais profundamente a sensibilidade dos dispositivos que cumprem a mesma função das mãos. As pontas dos dedos humanos são notavelmente sensíveis. Eles podem comunicar detalhes de um objeto tão pequeno quanto 40 μm (cerca de metade da largura de um cabelo humano), discernir diferenças sutis nas texturas da superfície e aplicar força suficiente para levantar um ovo ou um saco de 20 libras de comida de cachorro sem Deslizamento. Eles também podem manipular objetos com relativa facilidade.
Os engenheiros têm trabalhado para imitar essa capacidade para eventuais usos robóticos ou protéticos com níveis variados de sucesso. Na Universidade de Michigan, o Prof. P.C. Ku e seu grupo relataram recentemente um método aprimorado para detecção tátil que detecta direcionalidade e força com um alto nível de sensibilidade. A alta resolução do sistema o torna exclusivamente adequado para aplicações robóticas e HCI. Também é relativamente simples de fabricar.

“Estamos preenchendo a lacuna entre humanos e computadores, então talvez possamos ensinar um robô a sentir objetos de uma maneira que esteja mais próxima de nossas próprias capacidades”, disse o estudante de doutorado Nathan Dvořák.

Dvořák é membro de uma equipe liderada pelo Prof. P.C. Ku que vêm desenvolvendo sensores táteis nos últimos anos. Eles são os primeiros a integrar um senso de toque altamente sensível junto com a direcionalidade usando nanopilares assimétricos – para que um dispositivo protético seja capaz de agarrar com mais força um objeto em queda, ou uma interface homem-computador pode diferenciar um movimento ascendente de um descendente.

Sensor único composto por nanopilares de 1,6M, dispostos em 64 nós que consistem em pares de matrizes colocadas em ângulos retos entre si. Crédito:Universidade de Michigan

Como prova de conceito, a equipe construiu um sensor, aproximadamente do tamanho da ponta de um dedo, que contém 1,6 milhão de nanopilares de nitreto de gálio (GaN). O GaN foi usado por causa de sua capacidade de medir a força através de sua propriedade piezoelétrica inata, ou seja, sua capacidade de gerar uma carga elétrica quando estressada.

A forma elíptica e o arranjo dos nanopilares são fundamentais para seu sucesso na detecção de direcionalidade.

A menor unidade é o nanopillar. Cada nanopilar tem uma forma elíptica e tem 450 nm de altura, cerca de 1.000 vezes menor que a largura do cabelo humano. E cada nanopillar é equipado com seu próprio LED.

Os nanopilares são agrupados em matrizes individuais na forma de um retângulo, 100 × 150 nanopilares ou 12.500 nanopilares por matriz. Cada matriz é então agrupada em estreita proximidade com uma segunda matriz em ângulos retos com ela. Esse arranjo é fundamental para sua capacidade de detectar direção. As duas matrizes ortogonais são chamadas de nó.

Desenho conceitual do sensor tátil em ação. A pressão aplicada aos nanopilares reduz a luz emitida pelos LEDs. Crédito:Universidade de Michigan

Um sensor completo consiste em 64 nós em forma de quadrado.

Quando uma força é aplicada aos nanopilares, ela altera a intensidade da luz emitida pelos nanopilares, conforme mostrado no vídeo.

Como o sensor é capaz de determinar a direção da força, ele pode alertar um futuro dispositivo protético sobre se um objeto pode estar caindo, exigindo um aperto mais forte.

O sistema não requer interconexões elétricas complexas, que exigem uma uniformidade de fabricação muito alta. Ele também usa métodos de fabricação bem conhecidos que são facilmente repetíveis.

"E não precisamos ter 100% de rendimento em nossos dispositivos, nem perto disso", disse Dvořák. "Em um dos meus dispositivos atuais, há 1,6 milhão de nanopilares no sensor, e ainda é eficaz mesmo que 25% dos nanopilares em uma matriz sejam danificados durante a fabricação, porque estamos detectando a mudança da intensidade da luz em vez do valor absoluto. intensidade da luz."

Este vídeo demonstra uma ponta do dedo sendo aplicada aos nanopilares. O sistema é sensível o suficiente para distinguir os sulcos individuais em uma impressão digital. Quando uma crista de impressão digital passa sobre os nanopilares, ela dobra os nanopilares causando uma diminuição na intensidade da luz, resultando em um efeito geral de cintilação à medida que o dedo se move sobre o sensor. Crédito:Universidade de Michigan

O sensor foi capaz de discernir objetos medindo meros 4,3 μm, tornando-o quase 10 vezes mais sensível do que a ponta de um dedo humano. E poderia detectar o peso de um objeto semelhante a um clipe de papel, ou cerca de 0,1 grama.

A prova de conceito atual usa um gerador de imagens de prateleira para detectar a mudança na luz que ocorre quando a superfície é tocada.

"Agora estamos trabalhando para desenvolver um sistema completo", disse Dvořák. Depois de fazer o sistema atual funcionar com eletricidade, ele montará o sensor em cima de um imager CMOS que registrará as mudanças na intensidade da luz e o conectará a um microprocessador para processamento automatizado de informações.

A pesquisa é descrita em "Ultrathin Tactile Sensors with Directional Sensitivity and a High Spatial Resolution", publicado em Nano Letters . + Explorar mais