開(kāi)發(fā)新納米材料應(yīng)變傳感器系列，提高工業(yè)機(jī)器人手臂安全性和精度

新加坡國(guó)立大學(xué)（NUS）的研究團(tuán)隊(duì)在陳寶炎副教授的帶領(lǐng)下，通過(guò)開(kāi)發(fā)新的納米材料應(yīng)變傳感器系列，大大提高了工業(yè)機(jī)器人手臂的安全性和精度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該應(yīng)變傳感器在測(cè)量運(yùn)動(dòng)時(shí)更加靈敏。

由NUS團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的新型應(yīng)變傳感器采用稱為MXenes的柔性，可拉伸和導(dǎo)電納米材料制成，具有超薄，無(wú)電池的特點(diǎn)，并且可以無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。憑著這些的特性，新型的應(yīng)變傳感器在廣泛的多應(yīng)用中具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

國(guó)立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系的陳教授助理解釋說(shuō)：“傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器的性能一直受到所用傳感材料的性質(zhì)的限制，并且用戶針對(duì)特定應(yīng)用定制傳感器的選擇有限。通過(guò)這項(xiàng)工作，我們開(kāi)發(fā)了一種控制MXenes表面紋理的簡(jiǎn)便策略，這使我們能夠控制各種軟外骨骼的應(yīng)變傳感器的傳感性能，這項(xiàng)工作中開(kāi)發(fā)的傳感器設(shè)計(jì)原理將顯著提高電子皮膚的性能。和軟機(jī)器人?！?/p>

精密制造

可以很好地使用新型應(yīng)變傳感器的領(lǐng)域之一是精密制造，其中機(jī)械臂用于執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，例如制造易碎產(chǎn)品（如微芯片）。

由NUS研究人員開(kāi)發(fā)的這些應(yīng)變傳感器可以涂在像電子皮膚一樣的機(jī)械手臂上，以測(cè)量拉伸時(shí)的細(xì)微運(yùn)動(dòng)。當(dāng)沿著機(jī)械臂的關(guān)節(jié)放置時(shí)，這些應(yīng)變傳感器可使系統(tǒng)精確地了解機(jī)械臂在移動(dòng)多少以及它們相對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)的當(dāng)前位置。當(dāng)前的現(xiàn)成應(yīng)變傳感器沒(méi)有執(zhí)行該功能所需的精度和靈敏度。

精密制造中使用的常規(guī)自動(dòng)機(jī)械臂需要從不同角度對(duì)準(zhǔn)它們的外部攝像頭，以幫助跟蹤其定位和運(yùn)動(dòng)。NUS團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的超靈敏應(yīng)變傳感器將通過(guò)提供精確動(dòng)作的自動(dòng)反饋（誤差范圍小于1度）來(lái)幫助改善機(jī)械臂的整體安全性，并且無(wú)需外部攝像頭，因?yàn)樗鼈兛梢愿櫠ㄎ缓瓦\(yùn)動(dòng)，而無(wú)需任何視覺(jué)輸入。

“瑞昱新加坡很高興與陳寶仁教授及其在國(guó)大的團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)適用于軟機(jī)器人和工業(yè)機(jī)械臂的無(wú)線傳感器模塊。我們共同開(kāi)發(fā)了具有客戶指定感測(cè)性能的無(wú)線傳感器允許機(jī)器人進(jìn)行高精度運(yùn)動(dòng)，并且可以無(wú)線傳輸反饋感應(yīng)數(shù)據(jù)，這與Realtek Singapore在無(wú)線智能工廠中的方法緊密結(jié)合，Realtek將繼續(xù)與NUS建立牢固的合作關(guān)系，期待把該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室推向市場(chǎng)。”Realtek新加坡董事長(zhǎng)Yeh Po-Leh博士說(shuō)。

可定制的超靈敏傳感器

技術(shù)突破是生產(chǎn)工藝的發(fā)展，這使NUS研究人員可以在寬信噪比高的工作范圍內(nèi)創(chuàng)建高度可定制的超靈敏傳感器。

傳感器的工作窗口確定了它可以伸展的程度，同時(shí)仍保持其傳感質(zhì)量，并且具有高信噪比意味著更高的精度，因?yàn)閭鞲衅骺梢詤^(qū)分機(jī)械臂的細(xì)微振動(dòng)和微小運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)這種生產(chǎn)過(guò)程，團(tuán)隊(duì)可以在0至900％之間的任何工作窗口內(nèi)自定義其傳感器，同時(shí)保持高靈敏度和信噪比。標(biāo)準(zhǔn)傳感器通?？梢赃_(dá)到100％的范圍。通過(guò)將具有不同工作窗口的多個(gè)傳感器組合在一起，NUS研究人員可以創(chuàng)建單個(gè)超敏感傳感器，否則該傳感器將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

研究團(tuán)隊(duì)花了兩年的時(shí)間開(kāi)發(fā)出這一突破，并于2020年9月在科學(xué)期刊ACS Nano上發(fā)表了他們的工作。他們還擁有在軟機(jī)器人康復(fù)手套中應(yīng)用軟外骨骼的工作原型。

“這些先進(jìn)的柔性傳感器使我們的可穿戴軟機(jī)器人具有重要的能力來(lái)感知患者的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，尤其是在運(yùn)動(dòng)范圍方面。這最終將使軟機(jī)器人能夠更好地了解患者的能力并為他們的手部運(yùn)動(dòng)提供必要的幫助”，新加坡國(guó)立大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系軟機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Raye Yeow副教授說(shuō)，他領(lǐng)導(dǎo)著國(guó)家機(jī)器人研發(fā)計(jì)劃辦公室的軟與混合機(jī)器人計(jì)劃。

機(jī)器人手術(shù)

該團(tuán)隊(duì)還希望提高傳感器的功能，并與新加坡綜合醫(yī)院合作，探索其在軟外骨骼機(jī)器人中的應(yīng)用以及在經(jīng)口機(jī)器人手術(shù)中的手術(shù)機(jī)器人中的應(yīng)用。

“作為外科醫(yī)生，我們不僅依靠視線，還依靠觸覺(jué)來(lái)感知我們進(jìn)行手術(shù)的身體內(nèi)部區(qū)域。例如，癌組織感覺(jué)與正常，健康的組織不同。通過(guò)增加超薄無(wú)線網(wǎng)絡(luò)感應(yīng)模塊到長(zhǎng)的機(jī)器人工具，我們可以在手無(wú)法觸及并可能“感覺(jué)”到組織僵硬的區(qū)域進(jìn)行操作，而無(wú)需進(jìn)行開(kāi)放式手術(shù)?！倍茄屎眍^顱外科高級(jí)顧問(wèn)Lim Chwee Ming博士說(shuō)新加坡總醫(yī)院頸外科。
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