Коснуться и ощутить: многофункциональный датчик для электронной кожи
Что отличает человека от робота? Это весьма философский вопрос, ответ на который стоит искать среди работ не только инженеров и биологов. Важно понимать, в какой плоскости мы этот вопрос рассматриваем — физические возможности, когнитивные функции, эмоции, самосознание и т.д. На самом деле, пока что сравнивать человека и роботов в рамках схожести некорректно, ведь человек обладает не только выдающейся центральной нервной системой, но и органом, без которого наше взаимодействие с окружающей средой было бы крайне ограничено. Речь идет о коже — о самом крупном органе человеческого тела, который служит одновременно и преградой, и датчиком. Кожа является одним из важнейших инструментов, когда мы, к примеру, аккуратно берем в руки нечто хрупкое или крепко хватаемся за что-то тяжелое, дабы не упустить его. Ученые из университета Британской Колумбии (Ванкувер, Канада) разработали новый тип искусственной кожи, который сможет значительно расширить возможности не только роботов, но и протезов. Из чего сделана новая кожа, какими функциями она обладает, и как она показала себя на практике? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Чтобы обеспечить сложное взаимодействие между людьми и роботами, важно разработать метод сенсорной идентификации, который в биологии реализуется через кожу. Такая технология может быть крайне полезна и для протезов с нейронным управлением, позволяя улучшить двигательный контроль.
Функциональные требования к искусственной коже включают способность воспринимать и различать тактильные стимулы, такие как легкое прикосновение, нормальная сила и сдвиг. Возможность одновременного детектирования силы сдвига и нормальной силы позволяет брать хрупкие предметы, минимизируя риск применения чрезмерной силы.
Авторы рассматриваемого нами сегодня труда поставили перед собой цель создать мягкий датчик, который выдает сигналы смещения по трем осям, которые можно легко различить и, в свою очередь, связать с силой. Мягкость или податливость датчиков обеспечивает более естественное взаимодействие робота и человека, а три оси восприятия улучшают ловкость по сравнению с обычной силой.
Мягкие датчики нормальной и сдвиговой силы обычно являются емкостными, пьезоэлектрическими, пьезорезистивными или магнитными. Гибкость достигается за счет слоев эластомера и деформируемых электродных материалов, содержащих серебряные нанопроволоки, углеродные нанотрубки, жидкие металлы и гидрогели. Эластомерные подложки на основе силикона, такие как Ecoflex и PDMS, используются для придания подложке растяжимости.
В дополнение к обычным возможностям чувствительности к давлению, для искусственной кожи важно обладать чувствительностью к сдвигу. Большинство мягких датчиков не измеряют ни сдвиг, ни давление, а те, которые измеряют, часто имеют существенные недостатки. Было проведено несколько исследований твердых тактильных датчиков на основе кремния, включающих обнаружение сдвига, но они, как правило, слишком жесткие или хрупкие, чтобы обеспечить высокую степень прилегания сенсорных матриц, и крайне сложны в производстве.
Мягкие емкостные датчики могут различать приложенные силы. В данной разработке ученые использовали альтернативную геометрию электрода и диэлектрика, повышающую чувствительность на порядок. Диэлектрик является податливым и сжимаемым благодаря добавлению столбиков, а электроды расположены так (1A), чтобы обеспечить большее изменение емкости.
Ранее в исследовании «Porous Dielectric Elastomer Based Flexible Multiaxial Tactile Sensor for Dexterous Robotic or Prosthetic Hands» ученые продемонстрировали конструкцию пятиэлектродного трехосного датчика силы, аналогичную конструкции из рассматриваемого труда, которая также обнаруживает вращение вокруг нормали к поверхности. Их моделирование показывает преимущества использования пористых полимеров и столбчатых структур в качестве диэлектриков для повышения чувствительности по сравнению с использованием твердого диэлектрика.
А в труде «A hierarchically patterned, bioinspired e-skin able todetect the direction of applied pressure for robotics» ученые показали ряд внутренних выступов, состоящих из пяти тонких емкостных электродов. Над этими маленькими куполами расположена мягкая, толстая поверхность с пятью перпендикулярными электродами, которые перекрываются с электродами внизу. Характер реакции, возникающий при движении двух слоев относительно друг друга, позволяет различать одновременное давление и сдвиг в этом мягком датчике. Однако единственное место измерения давления/сдвига требует интерпретации данных от массива емкостных датчиков 5 × 5, что является проблемой для масштабируемости до более крупных массивов, а количественная дифференциация еще не была продемонстрирована.
В исследовании »3-axis all elastomer MEMS tactile sensor» был описан емкостный датчик сдвига на основе твердого диэлектрика PDMS, но для работы этого устройства требуется значительная начальная нормальная сила (1.8 Н).
В рассматриваемом нами труде ученые описывают мягкий и растягивающийся датчик, способный определять близость объекта к нему, нормальную силу и сдвиг. Ученые использовали сложение емкостей и разницу между электродами для извлечения направленных сил. Величины сдвига и давления выводятся как отдельные числовые величины, поэтому их легко интерпретировать и реализовать в автоматизированных системах. Важным вкладом является демонстрация минимальной связи между осями, подтверждающая базовую архитектуру.
Нелинейная жесткость и способность изгибаться (слева на 1A) имитируют человеческую кожу — потенциальное преимущество для создания массивов датчиков, которые не соединяются друг с другом. Поверхность датчика гладкая, что делает ее более похожей на кожу, чем в некоторых предыдущих работах. Датчик также обнаруживает приближение пальца или вообще любого заземленного проводника, используя взаимную емкость, но относительно нечувствителен к изолирующим материалам. Датчик также имеет простую схему считывания, которая выдает емкостные сигналы, считывая только четыре емкости. Также было обнаружено, что взаимное емкостное зондирование относительно стабильно к изменению температуры.
Результаты исследования
Изображение №1
Для емкостного измерения используется набор из пяти независимо подключенных электродов, позволяющих определять смещения и силы, приложенные к поверхности датчика, в трех измерениях. Четыре верхних измерительных электрода (E1–E4) емкостно связаны с одним нижним заземляющим электродом (1A), образуя емкости C1–C4. Верхний и нижний электроды связаны электрическими полями, проходящими как непосредственно через диэлектрик (X1), так и выступают наружу (X2) (1B). Емкости между каждым из верхних электродов и нижним заземляющим электродом последовательно измеряются с помощью емкостно-цифрового преобразователя AD7745 и мультиплексора. Соединение мягких сенсорных элементов с этой цепью осуществляется с помощью медной ленты, прикрепленной к токопроводящему эластомеру и медным выводам соответственно. Эти емкости изменяются в зависимости от природы раздражителя.
Далее ученые описывают принцип работы датчика. Человеческий палец, находящийся вблизи или при легком касании, действует как виртуальное заземление и разделяет проецируемые электрические поля (обозначенные X3 на 1B), тем самым уменьшая все емкости C1–C4 аналогичным образом. При приложении силы сжатия все четыре верхних активных электрода E1–E4 смещаются к нижнему электроду, тем самым увеличивая все четыре емкости C1–C4 (1C). Приложение сдвиговой силы в направлении вправо перемещает E3 вправо, увеличивая область перекрытия с нижним электродом и, в свою очередь, увеличивая C3. E1 также перемещает их вправо, уменьшая площадь перекрытия с нижним электродом, в свою очередь уменьшая C1 (1D). Сдвиг по этой оси оказывает минимальное влияние на С2 и С4, поскольку их перекрытие с нижним электродом не меняется. Эта комбинация изменений C1–C4 характерна для сдвига в положительной оси X и дает информацию о величине сдвига и его направлении.
Ученые отмечают, что эффекты сдвигового и нормального смещения можно математически разделить. При применении нормального смещения все емкости увеличиваются, а эффекты сдвига пропорциональны разнице емкостей. Например, величина сдвигового смещения, параллельного осям C1 и C3, нелинейно пропорциональна выражению: (C3C'1 — C1C'3) / (C'1 + C'3), где C1 и C3 — значения емкости без приложенной силы, а C1 и C'3 — значения в интересующий момент времени.
Данное выражение подходит и для направления сдвига даже при приложении нормальной силы. Сигнал сдвига в перпендикулярном направлении задается аналогичным выражением, в котором C1 и C3 заменяются на C2 и C4. Нормальное смещение диэлектрика пропорционально сумме разностей: (ΔC1 + ΔC2 + ΔC3 + ΔC4) / (C'1 + C'2 + C'3 + C'4), где ΔCi представляет собой изменение емкости (C’i — Ci).
Чтобы получить большее изменение емкости, локализовать эффект сдвига и смоделировать изгиб и растяжение кожи, используется новая диэлектрическая архитектура (1E). Диэлектрик состоит из эластомерных столбиков, поддерживающих верхний слой и воздух. Различают два типа чередующихся столбиков — квадратные с расположенными на них электродами Е1–Е4 и Х-образные. Расстояние между квадратными столбиками и соотношение сторон таковы, что они могут легко сгибаться при приложении сдвига к верхней поверхности, что делает устройство более чувствительным по сравнению с тем, когда используется сплошной слой эластомера. Квадратные столбики прикреплены как к верхнему, так и к нижнему слоям, тогда как X-столбики прикреплены только к нижнему слою (1F). Это обеспечивает гладкий верхний слой, предотвращая его разрушение в областях, не поддерживаемых квадратными столбиками, одновременно обеспечивая скользящее движение верхнего слоя при приложении сдвига, а также дает датчику возможность изгибаться и растягиваться в определенной области, имитируя кожу человека.
Изображение №2
Материалы и методы производства были подобраны так, чтобы их стоимость была максимально низкой. Простое трехэтапное соединение пресс-формы (MPB от mold-pattern-bond) позволяет получить цельный датчик (2A-2D). Используемый эластомер Ecofex 00–30 обладает высокой эластичностью и по ощущениям напоминает кожу. Растягивающиеся электроды были изготовлены из технического углерода, смешанного с Ecofex.
Ecofex сначала отверждали в формах (2A) для изготовления верхнего и нижнего сегментов, при этом два типа столбиков в двух формах имеют высоту 1.5 мм под верхним слоем толщиной 0.3 мм. Воздушные карманы имеют высоту 1.5 мм, квадратные столбики — 3 мм × 3 мм, а X- столбики — длину 5.8 мм на каждой ножке.
На электроды был нанесен паттерн техническим углеродом, содержащим Ecofex, с использованием теневых масок, изготовленных из прозрачной пленки (универсальная прозрачная пленка Staples, толщиной 120 мкм) (2B). Электроды (4 верхних размером 3 × 3 мм и нижние 9 × 9 мм) покрывались инкапсулирующим слоем Ecofex (2C) толщиной примерно 300 мкм. Половина площади каждого из четырех верхних электродов перекрывалась с нижним электродом посередине вдоль четырех краев (1A). Слой заземления добавлялся к верхней или нижней части датчика с использованием того же процесса наслоения, что и сенсорные электроды. Затем верхний сегмент прикреплялся к нижнему путем нанесения тонкого слоя неотвержденного Ecofex только на нижнюю часть квадратных столбиков (2D). Полученный датчик имеет эффективный модуль упругости при сжатии примерно 160 кПа (кожа имеет модуль ~400 кПа). График напряжения-деформации (3A) демонстрирует низкий эффективный модуль упругости E1 при небольших деформациях и более высокий модуль E2 при более сильных деформациях, как у кожи человека.
Изображение №3
На 3B показана реакция датчика на приближение и контакт пальца. Четыре столбика на графике соответствуют четырем емкостям C1–C4. При приближении проецируемое поле все больше связывается с пальцем, и связь между электродами возбуждения и считывания уменьшается вместе со всеми четырьмя емкостями C1–C4. Емкости достигают минимума с уменьшением на 10–12% при легком контакте. Человеческий палец или другой проводящий объект действует как заземление, что приводит к уменьшению емкости. При приближении или прикосновении пластикового предмета размером с палец емкость увеличивается незначительно (до 3%). Отклик небольшой и имеет противоположное направление, поскольку емкость увеличивается из-за более высокой эффективной диэлектрической проницаемости.
При приложении силы, перпендикулярной поверхности датчика, толщина диэлектрика уменьшается, а все четыре емкости увеличиваются (3D). На 3E показано применение сдвига и реакция датчика на него. Приложенный сдвиг сгибает кожу на переднем крае и растягивает ее на заднем. Это достигается за счет диэлектрической архитектуры (1E), которая обеспечивает скольжение несвязанных поверхностей и разделение при сжатии, как и кожа человека. Емкость на заднем крае сдвига увеличивается из-за увеличения площади перекрытия, а на переднем крае емкость уменьшается. Эти две реакции не являются совершенно равными и противоположными из-за наложенной нормальной силы, которая прикладывается во время процесса сдвига. Емкости, перпендикулярные оси сдвиговой силы, немного увеличиваются из-за этой деформации вниз.
Одной из ключевых возможностей этой архитектуры датчика является одновременное обнаружение и оценка нормальных и горизонтальных смещений и сил. Это делается с использованием сигналов разности и суммирования, включая нормализацию по базовой емкости в случае сдвига, чтобы получить безразмерное выражение, что дает:
Эти уравнения предполагают равномерное смещение всех четырех электродов Е1–Е4 относительно базового электрода. Модель предполагает, что электроды деформируются равномерно под действием приложенной силы и что размер объекта вдавливания равен, по меньшей мере, размеру области измерения сдвига (1.1 × 1.1 см). На основе результатов модель должна обеспечивать нелинейно-пропорциональный расчет приложенной принудительной направленности. Вышеуказанный набор трех уравнений разделяет изменения емкости, вызванные сдвигом, по двум горизонтальным осям и емкость деформации, вызванную нормальной деформацией.
Изображение №4
Выше показаны калибровочные кривые, использованные для оценки приложенной силы по емкости. Используя результирующие векторы силы в направлениях x и y, проводилась оценка векторов силы.
Подобно коммерческим датчикам силы (ATI Nano 17, используемый для калибровки) исследуемый мягкий датчик способен различать одновременно приложенные сдвиговые и обычные компоненты. Чтобы продемонстрировать это, измеренные силы сдвига и нормальные силы, полученные с помощью ATI Nano 17, сравнивались с теми, которые прогнозируются емкостным датчиком.
Квадратный индентор размером 14×14 мм, напечатанный из смолы (Formlabs), использовался для вдавливания поверхности датчика, а смещения реализовывались с помощью 3-осевого столика Nanomax. Размер и форма индентора были такими, чтобы покрыть всю поверхность датчика и обеспечить равномерный отклик (4A). Нормальная сила и процентное изменение емкости (ΔC/C0) для четырех емкостных электродов показаны на 4B.
В ходе опытов наблюдалось изменение емкости при увеличении приложенной силы для всех четырех электродов. Наклоны ответов увеличивались с увеличением силы, что соответствует увеличению жесткости датчика. Между электродами наблюдались значительные различия в величине и наклоне ΔC/C0.
Чувствительность датчика составила 2.8%/кПа для малых давлений. Легкое нажатие кончиком пальца составляет примерно 50 г, что соответствует нормальной силе около 0.5 Н и поддается обнаружению. Чувствительность падала с увеличением нагрузки, что соответствует увеличению жесткости конструкции до 0.3%/кПа при 80 кПа.
Чтобы проиллюстрировать способность датчика обнаруживать нормальную силу независимо от приложенных сдвиговых сил, был построен график нормального сигнала, рассчитанного по уравнению №1, в зависимости от приложенной нормальной деформации. Суммирование откликов емкостей четырех электродов приводит к образованию единой кривой, связывающей приложенную нормальную деформацию и емкость (4D). Эта кривая остается примерно постоянной при одновременном воздействии горизонтальных (сдвиговых) сил различной величины. Все четыре кривые, связанные с разными уровнями сдвиговой силы, совпадают друг с другом в пределах 2.5%. Обнаружение нормальной силы не зависит от уровня приложенной сдвиговой силы. Это показывает, что точные показания нормальной силы могут быть получены независимо от сдвига. Минимальная обнаруживаемая нормальная сила составила 0.095 Н (0.49 кПа) с отношением сигнал/шум 5 дБ, что соответствует нормальной деформации 1.6%.
Чтобы охарактеризовать чувствительность датчика к сдвиговой силе, применялась горизонтальная сила путем перемещения 3-осевого столика Nanomax по осям X или Y. На 4E показаны снимки датчика (вид снизу) в состоянии покоя и сдвига. На 4F и 4G показано сдвиговое смещение датчика в зависимости от приложенного сдвига.
Минимальная обнаруженная сила сдвига составила 0.061 Н (0.31 кПа) с отношением сигнал/шум 5 дБ, что соответствует деформации сдвига 1.8%. Это демонстрирует чувствительность изменения емкости ~ 0.3% на изменение деформации с максимальной испытанной силой 0.8 Н (4.1 кПа), что соответствует деформации сдвига до 53%.
Используя результаты измерения величины сдвига по оси X и величины сдвига по оси Y, можно было оценить результирующую величину и угол сдвига (видео №1).
Видео №1
Во время опытов с реальным предметом ученые использовали клубнику. Несмотря на мягкость, клубника не подверглась физическому разрушению при взаимодействии с датчиком, что важно для приложений, требующих аккуратного манипулирования хрупкими объектами. Чувствительность датчика к сдвиговым силам также проиллюстрирована на 4H и видео №2.
Видео №2
В этом опыте датчик использовался во время захвата пенопластового стаканчика. На видео показано, что датчик способен обнаруживать сдвиговые силы, когда стакан становится тяжелее из-за добавления воды.
Изображение №5
Близость датчика к заземленному объекту создавала четко различимый сигнал на расстоянии до 15 мм. Этот диапазон наблюдался при приближении пальца к поверхности датчика (5A, 5B). Фактически, датчик был способен определять факт приближения объекта к нему. Что также может быть крайне полезно при манипулировании с хрупкими предметами.
Видео №3
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые описали созданный ими датчик, имитирующий кожу человека. Этот датчик способен обнаруживать нормальную силу, силу сдвига и даже приближение к нему объекта.
Занимаясь повседневными делами, мы не обращаем внимания на то, сколько важной работы выполняют наши органы. И дело даже не в мозге, легких или сердце, чью работу сложно переоценить. Но о коже, которая помогает нам ощущать окружающий нас мир. Предметы, которые мы берем в руки, первым делом контактируют с нашей кожей, что очевидно. Кожа, будучи многофункциональным датчиком, позволяет нам понять, является ли объект хрупким, мягким, твердым и т. д.
Классические роботизированные руки или же протезы с нейронным управлением лишены такой чувствительности, что значительно усложняет их работу. Как заявляют авторы разработки, их датчик способен это изменить.
Созданный учеными датчик использует электрические поля для определения объектов, которые находятся на расстоянии до 15 мм. Данная функция напоминает сенсорный экран. Но в отличие от сенсорных экранов, этот датчик гибок и может обнаруживать силы внутри и вдоль своей поверхности.
Ученые отмечают, что их датчик весьма прост в изготовлении, что позволяет легко масштабировать его для покрытия больших площадей поверхности и производства в больших количествах. По их словам, будущее робототехники и протезирования лежит не только в разработке внутренних систем, способных выполнять те или иные функции, но и в поверхностных, которые смогут служить связующим звеном между системой и окружающим миром. До стопроцентной имитации кожи человека с ее невероятной чувствительностью еще далеко, но ученые работают над этим.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
