Le interfacce elettroniche uomo-macchina (HMI) indossabili sono una classe emergente di dispositivi per facilitare le interazioni uomo-macchina. I progressi dell'elettronica, materiali e design meccanici hanno offerto percorsi verso dispositivi HMI indossabili commerciali. Però, i dispositivi esistenti sono scomodi poiché limitano il movimento del corpo umano con tempi di risposta lenti e difficoltà a realizzare più funzioni. In un recente rapporto su Progressi scientifici, Kyoseung Sim e un team di ricerca interdisciplinare in scienza e ingegneria dei materiali, industria meccanica, Ingegneria Biomedica, ingegneria elettrica e informatica negli Stati Uniti e in Cina, dettagliato lo sviluppo di un nuovo polimero.

Nel lavoro, hanno progettato un dispositivo elettronico ultrasottile estensibile a base di nanomembrana, semiconduttore in ossido di zinco e indio trattato con sol-gel-su-polimero. I vantaggi includevano la multifunzionalità, processi produttivi semplici, usura impercettibile e robusto interfacciamento. I dispositivi HMI indossabili multifunzionali andavano dalla memoria ad accesso casuale resistivo (ReRAM) per l'archiviazione dei dati alla forma di transistor ad effetto di campo (FET) che si interfacciavano con i circuiti di commutazione. Funzionalità aggiuntive includevano sensori per il rilevamento della salute e del movimento del corpo, e micro-riscaldatori per fornire la temperatura. Dopo aver testato i singoli componenti per le loro proprietà uniche, Sim et al. ha progettato i dispositivi HMI come dispositivi indossabili senza soluzione di continuità per gli esseri umani e anche come pelle protesica per i robot per offrire un feedback intelligente e formare un sistema HMI (interfaccia uomo-macchina) a circuito chiuso.

Le interfacce uomo-macchina indossabili (HMI) funzionano come percorsi di comunicazione diretta tra uomo e macchina. Le interfacce possono rilevare i parametri fisici o elettrofisiologici degli utenti e facilitare le macchine per eseguire le funzioni corrispondenti. I recenti sviluppi nel campo dell'elettronica, materiali e design meccanici hanno dispositivi HMI avanzati. Tali dispositivi indossabili sono, però, ancora semimorbido e scomodo per un'integrazione perfetta a causa dell'incapacità di deformarsi e adattarsi a una gamma di movimenti umani dinamici. I materiali elettronici morbidi che soddisfano perfettamente i requisiti di interesse offrono un'alternativa per costruire l'elastico, dispositivi HMI indossabili. Però, i materiali gommosi morbidi hanno caratterizzato tempi di risposta lenti per subire una sostanziale isteresi in caso di deformazione ciclica. Comparativamente, i materiali inorganici possono mostrare tempi di risposta rapidi e subire una sostanziale isteresi per l'adozione come componenti elettronici e sensori indossabili.

Le proprietà uniche del materiale possono facilitare la formazione di rughe, forme serpentine e kirigami per fungere da abilitanti chiave per dispositivi HMI con carattere morbido ed elastico. Per ottenere più funzioni tra cui il rilevamento, commutazione, stimolazione e memorizzazione dei dati, però, i ricercatori devono ancora sviluppare diversi tipi di materiali funzionali elettronici, accanto a tecnologie di integrazione eterogenee, come la stampa transfer. Tali dispositivi sono associati a complesse procedure di fabbricazione, incompatibilità di ingegneria, bassa scalabilità e costi elevati. Inoltre, alle interfacce uomo e macchina del team, gli scienziati dei materiali richiedono una comprensione più ampia dei parametri sull'interazione, valutazione e comunicazione. I dispositivi HMI indossabili sono quindi necessari sia per le persone che per le macchine per formare efficacemente percorsi a circuito chiuso. Di conseguenza, la ricerca nel campo dei materiali robotici è finalizzata allo sviluppo di dispositivi HMI indossabili per colmare le lacune tecnologiche esistenti.

Nel presente lavoro, Sim et al. sviluppato un ultrasottile, dispositivo HMI meccanicamente impercettibile ed estensibile da indossare sulla pelle umana e su un robot, per acquisire dati fisici e offrire feedback intelligenti rispettivamente, per creare un sistema HMI a circuito chiuso. Hanno sviluppato i materiali senza combinare più materiali funzionali, dispositivi o passaggi di integrazione eccessivamente eterogenei. Il design del dispositivo sull'ultrasottile, meandri, la configurazione a rete aperta con elasticità meccanica ha permesso all'utente di essere completamente all'oscuro del dispositivo, mentre estraeva segnali utili dell'utente. Il dispositivo indossabile ha raccolto segnali dal muscolo umano per guidare il robot direttamente per consentire all'utente di provare le sensazioni provate dalla mano del robot. Il team di ricerca ha studiato collettivamente i materiali e il design del dispositivo, fabbricazione e caratterizzazione per dimostrare gli aspetti fondamentali della nanomembrana di ossido metallico per applicazioni multifunzionali nei dispositivi HMI.

Sim et al. composto il dispositivo HMI con un array ReRAM (random-access memory) basato su nanomembrane di ossido di zinco di indio (IZO), Array FET (transistor a effetto di campo), sensori di temperatura distribuiti, sensori UV, sensori di deformazione e simulatori termici basati su oro (Au). Hanno progettato tutti i dispositivi su uno strato sottile (~2 µm) di poliimmide (PI) mediante rivestimento a rotazione sopra un substrato rigido di supporto in vetro per consentire il facile rilascio del dispositivo in modo indipendente. Dopo molti intricati passaggi di ingegneria, hanno completato la fabbricazione del dispositivo immergendolo in tampone ossido mordenzante (BOE) per rilasciare il dispositivo dalla piattaforma di vetro. Usando carta pergamena, gli scienziati hanno quindi trasferito il dispositivo su un braccio umano senza adesivo aggiuntivo. Hanno usato la microscopia elettronica a scansione per dimostrare che il polimero cutaneo non subiva delaminazione a contatto con la pelle. Per formare un sistema HMI a circuito chiuso tra uomo e macchina, gli scienziati hanno sviluppato in modo simile una pelle protesica composta da poli(dimetilsilossano) (PDMS) e una serie di sensori per imitare le funzioni sensoriali della pelle umana e l'hanno implementata su una mano robotica.

Sim et al. ha eseguito una caratterizzazione dettagliata del semiconduttore di ossido di nanomembrana IZO trattato con sol-gel-on-polimero, che era la chiave per realizzare più funzionalità senza un'integrazione eterogenea. Poiché i dispositivi di archiviazione dati come la memoria erano componenti integrali degli HMI indossabili; gli scienziati hanno costruito la ReRAM estensibile basata su nanomembrana IZO con una struttura a sandwich Au/IZO/Au con incapsulamento PI (poliimmide). Sotto tensione sufficiente, hanno creato ioni di ossigeno e vacanze di ossigeno per formare un filamento conduttivo attraverso i due elettrodi per una drastica transizione di corrente dallo stato ad alta resistenza (HRS) allo stato a bassa resistenza (LRS). Quando hanno applicato una polarizzazione inversa a una tensione specifica, le vacanze di ossigeno si sono neutralizzate, provocando la rottura del filamento conduttivo e la drastica diminuzione della corrente. Sim et al. eseguito cicli di scrittura-lettura-cancellazione-scrittura (WER) e test di ritenzione per valutare l'affidabilità della ReRAM basata su nanomembrana IZO, dove i risultati hanno mostrato un funzionamento stabile senza degradazione.

Hanno confermato l'effetto della sollecitazione meccanica sulle prestazioni del dispositivo testando la ReRAM con diversi livelli di allungamento meccanico utilizzando una barella su misura. I risultati hanno mostrato che il semiconduttore ha subito una deformazione minima e trascurabile quando allungato, riflettendo il design razionale del dispositivo. I risultati hanno indicato la capacità del dispositivo ReRAM di funzionare stabilmente sotto sforzo meccanico senza un degrado sostanziale. Allo stesso modo, il FET utilizzato nel dispositivo ha costituito un elemento costitutivo fondamentale per interfacciare e commutare l'elettronica per gli HMI.

Gli scienziati hanno quindi testato il sensore UV ultrasottile del polimero indossabile sulla pelle e la sua capacità di monitorare l'esposizione ai raggi UV per applicazioni volte a ridurre il rischio di malattie della pelle. Allo stesso modo, hanno testato gli effetti della temperatura cutanea, un importante indicatore di salute misurando la resistenza del termistore estensibile ultrasottile a diverse temperature. Hanno calcolato che il coefficiente di temperatura è paragonabile ai termistori ingombranti disponibili in commercio. Il team di ricerca ha anche sviluppato un sensore di deformazione basato su nanomembrana IZO per la comunicazione tra un essere umano e un robot per evidenziare la versatilità del materiale IZO. Sim et al. ha confrontato i risultati sperimentali con l'analisi agli elementi finiti (FEA) per calcolare il profilo di deformazione dell'area di rilevamento IZO a diversi livelli di allungamento meccanico. Le simulazioni concordavano bene con i risultati sperimentali.

Dopo aver testato le singole funzioni del dispositivo multifunzione, Sim et al. ha dimostrato la multifunzionalità degli HMI interattivi a circuito chiuso. Quando i sensori indossabili sulla pelle umana rilevano segnali come il movimento umano indotto dalla tensione, i segnali rilevati potrebbero controllare il movimento della mano robotica. Ad esempio, quando il team di ricerca ha posizionato il sensore di deformazione IZO sulla spalla umana, ha rilevato la deformazione per movimento del braccio umano o quando l'utente ha afferrato un oggetto. In parallelo, la pelle protesica basata sul sensore di temperatura IZO della mano robotica ha rilevato la temperatura dell'ambiente esterno o dell'oggetto afferrato per determinare la tensione adatta da applicare a uno stimolatore termico morbido sulla pelle umana per trasmettere la sensazione. Sulla base di una serie di tali interazioni coordinate, gli scienziati hanno creato un sistema HMI interattivo a circuito chiuso.

In questo modo, Kyoseung Sim e colleghi hanno progettato una nanomembrana di ossido metallico IZO trattata sol-gel-on-polimero e hanno mostrato la sua versatilità rispetto ai dispositivi di memoria morbida ultrasottili, transistor, sensori di temperatura, sensori di deformazione e sensori UV. Hanno formato il dispositivo multifunzionale simultaneamente in un unico processo senza alcuna integrazione eterogenea. I sensori indossabili abilitati per l'elettronica estensibili ultrasottili combinati, la pelle protesica e il dispositivo attuatore per le interfacce uomo-robot hanno dimostrato la fattibilità del sistema HMI a circuito chiuso. Una tale configurazione aprirà la strada a costi convenienti, produzione scalabile e dispositivi HMI indossabili in grado di integrarsi perfettamente con l'utente. Gli scienziati prevedono che l'HMI indossabile diventerà una tecnologia vitale con capacità avanzate, comfort e praticità per un'efficace collaborazione tra macchine e uomini.

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