Un gruppo di ricerca della National University of Singapore (NUS), guidato dall'assistente professore Chen Po-Yen, ha compiuto il primo passo verso il miglioramento della sicurezza e della precisione dei bracci robotici industriali sviluppando una nuova gamma di sensori di deformazione in nanomateriali che sono 10 volte più sensibili durante la misurazione dei movimenti minimi, rispetto alla tecnologia esistente.

Fabbricato utilizzando flessibile, estensibile, e nanomateriali elettricamente conduttivi chiamati MXenes, questi nuovi sensori di deformazione sviluppati dal team NUS sono ultrasottili, senza batteria e in grado di trasmettere dati in modalità wireless. Con queste proprietà desiderabili, i nuovi sensori di deformazione possono essere potenzialmente utilizzati per un'ampia gamma di applicazioni.

Professore assistente Chen, che proviene dal Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare del NUS, spiegato, "Le prestazioni dei sensori di deformazione convenzionali sono sempre state limitate dalla natura dei materiali di rilevamento utilizzati, e gli utenti hanno opzioni limitate di personalizzazione dei sensori per applicazioni specifiche. In questo lavoro, abbiamo sviluppato una facile strategia per controllare le strutture superficiali di MXenes, e questo ci ha permesso di controllare le prestazioni di rilevamento dei sensori di deformazione per vari esoscheletri morbidi. I principi di progettazione dei sensori sviluppati in questo lavoro miglioreranno in modo significativo le prestazioni di skin elettroniche e robot morbidi".

Produzione di precisione

Un'area in cui i nuovi sensori di deformazione potrebbero essere messi a frutto è la produzione di precisione, dove i bracci robotici vengono utilizzati per svolgere compiti complessi, come la fabbricazione di prodotti fragili come i microchip.

Questi sensori di deformazione sviluppati dai ricercatori NUS possono essere rivestiti su un braccio robotico come una pelle elettronica per misurare i movimenti sottili mentre vengono allungati. Quando posizionato lungo le articolazioni dei bracci robotici, questi sensori di deformazione consentono al sistema di capire con precisione quanto si stanno muovendo i bracci robotici e la loro posizione attuale rispetto allo stato di riposo. Gli attuali sensori di deformazione disponibili in commercio non hanno la precisione e la sensibilità richieste per svolgere questa funzione.

I bracci robotici automatizzati convenzionali utilizzati nella produzione di precisione richiedono telecamere esterne puntate su di essi da diverse angolazioni per aiutarli a tracciare il loro posizionamento e movimento. I sensori di deformazione ultrasensibili sviluppati dal team NUS contribuiranno a migliorare la sicurezza complessiva dei bracci robotici fornendo un feedback automatizzato su movimenti precisi con un margine di errore inferiore a un grado, ed eliminano la necessità di telecamere esterne in quanto possono monitorare il posizionamento e il movimento senza alcun input visivo.

"È un grande piacere per Realtek Singapore lavorare con l'assistente professore Chen Po-Yen e il suo team in NUS per lo sviluppo di moduli di sensori wireless applicabili a robot morbidi e bracci robotici industriali. I nostri sensori wireless co-sviluppati con prestazioni di rilevamento designate dal cliente consentire ai robot di eseguire movimenti di alta precisione, e i dati di rilevamento del feedback possono essere trasmessi in modalità wireless, che sono coerenti con gli approcci di Realtek Singapore nella fabbrica intelligente wireless. Realtek continuerà a costruire una forte collaborazione con NUS e non vediamo l'ora di portare le tecnologie dal laboratorio al mercato, " ha detto dal dottor Yeh Po-Leh, Presidente di Realtek Singapore.

personalizzabile, sensori ultrasensibili

La svolta tecnologica è lo sviluppo di un processo produttivo che consente ai ricercatori NUS di creare sensori ultrasensibili altamente personalizzabili su un'ampia finestra di lavoro con elevati rapporti segnale-rumore.

La finestra di lavoro di un sensore determina quanto può allungarsi pur mantenendo le sue qualità di rilevamento e avere un elevato rapporto segnale-rumore significa una maggiore precisione in quanto il sensore può distinguere tra vibrazioni sottili e movimenti minuti del braccio robotico.

Questo processo di produzione consente al team di personalizzare i propri sensori per qualsiasi finestra di lavoro tra lo 0 e il 900 percento, mantenendo un'elevata sensibilità e rapporto segnale-rumore. I sensori standard possono in genere raggiungere un intervallo fino al 100%. Combinando più sensori con diverse finestre di lavoro, I ricercatori del NUS possono creare un singolo sensore ultrasensibile che altrimenti sarebbe impossibile da realizzare.

Il team di ricerca ha impiegato due anni per sviluppare questa svolta e da allora ha pubblicato il proprio lavoro sulla rivista scientifica ACS Nano nel settembre 2020. Hanno anche un prototipo funzionante dell'applicazione di esoscheletri morbidi in un guanto morbido di riabilitazione robotica.

"Questi sensori flessibili avanzati offrono ai nostri robot morbidi e indossabili un'importante capacità di rilevamento delle prestazioni motorie del paziente, soprattutto per quanto riguarda la loro ampiezza di movimento. Ciò consentirà infine al robot morbido di comprendere meglio le capacità del paziente e fornire l'assistenza necessaria ai movimenti della mano, ", ha affermato il professore associato Raye Yeow, che dirige un laboratorio di robotica morbida nel dipartimento di ingegneria biomedica del NUS, e guida il programma di robotica morbida e ibrida sotto il National Robotics R&D Program Office.

Chirurgia robotica

Il team sta anche cercando di migliorare le capacità del sensore e di lavorare con il Singapore General Hospital per esplorare l'applicazione nei robot esoscheletrici morbidi per la riabilitazione e nei robot chirurgici per la chirurgia robotica transorale.

"Come chirurgo, ci affidiamo non solo alla nostra vista, ma anche al nostro senso del tatto per sentire l'area all'interno del corpo in cui operiamo. Tessuti cancerosi, ad esempio, sentirsi diverso dal normale, tessuto sano. Aggiungendo moduli di rilevamento wireless ultrasottili a lunghi strumenti robotici, possiamo raggiungere e operare in aree in cui le nostre mani non possono raggiungere e potenzialmente "sentire" la rigidità dei tessuti senza la necessità di un intervento chirurgico aperto, " ha detto il dottor Lim Chwee Ming, Consulente senior, Otorinolaringoiatria-Chirurgia della testa e del collo, Ospedale Generale di Singapore.