Scansione di immagini al microscopio elettronico dei LED nanopillar di forma ellittica. Le due immagini a sinistra mostrano le immagini ad alta risoluzione dei due LED costituiti da nanopillari orientati ortogonalmente. L'immagine a destra mostra una porzione di un array di nanopillari, ognuno dei quali contiene 12.500 nanopillars. Credito:Università del Michigan
Poiché i dispositivi robotici come le protesi artificiali e le interfacce uomo-computer sono sempre più integrati nella società, i ricercatori hanno esaminato più a fondo la sensibilità dei dispositivi che svolgono la stessa funzione delle mani. I polpastrelli umani sono straordinariamente sensibili. Possono comunicare i dettagli di un oggetto piccolo quanto 40μm (circa la metà della larghezza di un capello umano), discernere sottili differenze nelle trame della superficie e applicare la forza sufficiente per sollevare un uovo o un sacchetto di cibo per cani da 20 libbre senza scivolando. Possono anche manipolare oggetti con relativa facilità.
Gli ingegneri hanno lavorato per imitare questa capacità per eventuali usi robotici o protesici con vari livelli di successo. Presso l'Università del Michigan, il Prof. P.C. Ku e il suo gruppo hanno recentemente segnalato un metodo migliorato per il rilevamento tattile che rileva la direzionalità e la forza con un alto livello di sensibilità. L'alta risoluzione del sistema lo rende particolarmente adatto per applicazioni robotiche e HCI. È anche relativamente semplice da produrre.
"Stiamo colmando il divario tra umani e computer, quindi forse possiamo insegnare a un robot come percepire gli oggetti in un modo che sia più vicino alle nostre capacità", ha affermato il dottorando Nathan Dvořák.
Dvořák fa parte di un team guidato dal Prof. P.C. Ku che ha sviluppato sensori tattili negli ultimi anni. Sono i primi a integrare un senso del tatto altamente sensibile insieme alla direzionalità utilizzando nanopillari asimmetrici, quindi un dispositivo protesico è in grado di afferrare più strettamente un oggetto che cade, oppure un'interfaccia uomo-computer può differenziare un movimento in salita da uno in discesa.
Sensore singolo costituito da nanopillari da 1,6 M, disposti in 64 nodi costituiti da coppie di array posizionati ad angolo retto l'uno rispetto all'altro. Credito:Università del Michigan
Come prova di concetto, il team ha costruito un sensore, delle dimensioni di un dito, che contiene 1,6 milioni di nanopillari di nitruro di gallio (GaN). Il GaN è stato utilizzato per la sua capacità di misurare la forza attraverso la sua proprietà piezoelettrica innata, ovvero la sua capacità di generare una carica elettrica quando sollecitato.
La forma ellittica e la disposizione dei nanopillari sono fondamentali per il suo successo nel rilevare la direzionalità.
L'unità più piccola è il nanopillar. Ogni nanopillar ha una forma ellittica ed è alto 450 nm, che è circa 1.000 volte più piccolo della larghezza dei capelli umani. E ogni nanopillar è dotato di un proprio LED.
I nanopillars sono raggruppati in singoli array a forma di rettangolo, 100×150 nanopillars o 12.500 nanopillars per array. Ciascun array viene quindi raggruppato in stretta prossimità con un secondo array ad angolo retto rispetto ad esso. Questa disposizione è fondamentale per la sua capacità di rilevare la direzione. I due array ortogonali sono chiamati nodo.
Disegno concettuale del sensore tattile in azione. La pressione applicata ai nanopillari riduce la luce emessa dai LED. Credito:Università del Michigan
Un sensore completo è composto da 64 nodi a forma di quadrato.
Quando una forza viene applicata ai nanopillari, cambia l'intensità della luce emessa dai nanopillars, come mostrato nel video.
Poiché il sensore è in grado di determinare la direzione della forza, può quindi avvisare un futuro dispositivo protesico se un oggetto potrebbe cadere attraverso la sua presa, richiedendo una presa più stretta.
Il sistema non richiede interconnessioni elettriche complesse, che richiedono un'uniformità di fabbricazione molto elevata. Utilizza anche metodi di produzione ben noti che sono facilmente ripetibili.
"E non abbiamo bisogno di avere il 100% di rendimento sui nostri dispositivi, o addirittura di chiudere", ha affermato Dvořák. "Su uno dei miei dispositivi attuali ci sono 1,6 milioni di nanopillari sul sensore, ed è ancora efficace anche se il 25% dei nanopillars in un array è danneggiato durante la produzione, perché stiamo rilevando il cambiamento dell'intensità della luce piuttosto che l'assoluta intensità luminosa."
Il sensore è stato in grado di discernere oggetti che misurano solo 4,3 μm, rendendolo quasi 10 volte più sensibile di quello di un polpastrello umano. E potrebbe rilevare il peso di un oggetto simile a una graffetta, ovvero circa 0,1 grammi.
L'attuale proof of concept utilizza un imager standard per rilevare il cambiamento di luce che si verifica quando viene toccata la superficie.
"Stiamo ora lavorando per sviluppare un sistema completo", ha affermato Dvořák. Dopo aver fatto funzionare l'attuale sistema con l'elettricità, monterà il sensore sopra un imager CMOS che registrerà i cambiamenti nell'intensità della luce e lo collegherà a un microprocessore per l'elaborazione automatizzata delle informazioni.
La ricerca è descritta in "Ultrathin Tactile Sensors with Directional Sensitivity and a High Spatial Resolution", pubblicato in Nano Letters . + Esplora ulteriormente
