Ricercatori dell'Università di Chongqing, in Cina, hanno recentemente sviluppato un sensore uditivo triboelettrico autoalimentato (TAS) che potrebbe essere utilizzato per costruire sistemi uditivi elettronici per apparecchi acustici esterni in applicazioni di robotica intelligente. Il loro recente studio, pubblicato in Robotica scientifica , potrebbe informare la creazione di una nuova generazione di sistemi uditivi, affrontare alcune delle sfide chiave nel campo della robotica sociale.

Il sistema uditivo è il mezzo di comunicazione più diretto ed efficace tra esseri umani e robot. Idealmente, i sistemi uditivi robotici dovrebbero consentire ai robot di ascoltare le istruzioni umane mentre percepiscono anche le loro intonazioni vocali, per rispondere di conseguenza.

Uno degli obiettivi chiave della robotica sociale è quindi quello di progettare sensori uditivi che siano potenti e sensibili in un'ampia gamma di frequenze. Queste applicazioni potrebbero anche avvantaggiare il 10% della popolazione mondiale che ha problemi di udito.

"Comunemente, le persone con problemi di udito perdono sempre una o più regioni di frequenza specifiche, "I ricercatori che hanno effettuato lo studio hanno detto a Tech Xplore. "Lo scopo degli apparecchi acustici esterni è quello di amplificare le specifiche regioni del suono alterate al livello udibile per quelle persone. Perciò, l'uso di sensori uditivi con selettività di frequenza come apparecchi acustici per il recupero di problemi di udito migliorerebbe le interazioni sociali uomo-robot".

Un'ulteriore sfida nel campo della robotica è legata alla potenza e all'energia. Per progettare con successo sensori uditivi con risposta in frequenza a banda larga e selettività in frequenza, i ricercatori dovrebbero utilizzare sensori acustici tradizionali con circuiti di elaborazione del segnale precisi, che aumentano il consumo di energia e riducono il periodo di lavoro.

"Il modo convenzionale di costruire sensori acustici autoalimentati si basa sull'effetto piezoelettrico e sull'architettura del dispositivo trapezoidale, " hanno spiegato i ricercatori. "Tuttavia, i sensori piezoelettrici hanno un segnale di uscita abbastanza basso e una regione di risposta in frequenza relativamente alta rispetto alla gamma di frequenza della voce umana. Inoltre, i canali multi segnale, il complicato processo di fabbricazione e i materiali piezoelettrici migliorano sostanzialmente i loro costi."

Per affrontare questi problemi, i ricercatori hanno progettato un tipo circolare, canale singolo, e sensore uditivo autoalimentato (TAS) facile da fabbricare, basato sulla tecnologia dei nanogeneratori triboelettrici. I nanogeneratori sono un tipo di tecnologia che converte l'energia meccanica e termica in elettricità.

Esistono tre tipi principali di nanogeneratori:piezoelettrici, triboelettrico e piroelettrico. Entrambi i generatori piezoelettrici e triboelettrici raccolgono energia meccanica per creare elettricità, ma mentre i primi lo fanno attraverso un materiale piezoelettrico nanostrutturato, quelli triboelettrici lo ottengono attraverso una congiunzione degli effetti di triboelettrificazione ed induzione elettrostatica.

"I punti salienti del nostro dispositivo TAS sono il rilevamento autoalimentato e le proprietà dello spettro personalizzabile, "ha spiegato i ricercatori. "TAS ha una membrana di vibrazione ricoperta da uno strato conduttivo e uno strato conduttivo inferiore ricoperto da uno strato di tribo-materiale. Quando sotto l'onda acustica, la vibrazione della membrana provoca il contatto tra la membrana e il tribo-materiale, creando una distribuzione di carica. A causa dell'effetto di induzione elettrostatica, la vibrazione genererebbe l'uscita del segnale attraverso due strati conduttivi. Per ogni membrana fissa, ci sarebbe un carattere di vibrazione specifico. A causa della semplice struttura di TAS, possiamo progettare le condizioni al contorno della membrana per realizzare lo spettro personalizzabile di cui abbiamo bisogno."

Quando testato, il sensore sviluppato dai ricercatori ha prodotto un segnale di uscita elevato, risposta in frequenza della banda della scheda, e la proprietà di selettività in frequenza nella gamma della voce umana. Il loro sensore è anche relativamente facile da costruire e fornisce uno spettro personalizzabile in un dispositivo a canale singolo.
"Il segnale di uscita elevato e il singolo canale possono ridurre notevolmente l'elaborazione del segnale, riducendo così il consumo di energia, " hanno detto i ricercatori. "I materiali utilizzati e la sua facile fabbricazione migliorano la fattibilità della progettazione di sistemi uditivi trasparenti e una vasta gamma di altri dispositivi. Riteniamo che questa tecnica potrebbe fornire un sistema uditivo economico ed efficiente dal punto di vista energetico sia per applicazioni robotiche che per apparecchi acustici".

Il lavoro di questo team di ricercatori mette in evidenza il notevole potenziale della tecnologia dei nanogeneratori triboelettrici per affrontare le sfide nel campo della robotica sociale e per costruire apparecchi acustici più efficaci. Ora stanno pianificando lo sviluppo di nuovi sensori per una varietà di interazioni uomo-robot, mentre spingono la loro tecnologia recentemente sviluppata verso l'industrializzazione.

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