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npj Flexible Electronics volume 6, número do artigo: 94 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Mãos robóticas macias podem facilitar a interação humano-robô, permitindo que os robôs agarrem uma ampla gama de objetos com segurança e suavidade. No entanto, o seu desempenho tem sido prejudicado pela falta de sistemas de detecção adequados. Apresentamos uma rede de sensores multimodais flexível e extensível integrada a uma mão robótica macia. O design de sensores com fio em um filme metalizado flexível foi incorporado por meio de uma abordagem de fabricação que usa ablação de metal a laser UV e corte de plástico simultaneamente para criar eletrodo sensor e fios condutores extensíveis em um padrão Kirigami em uma única rede. Avaliamos as interconexões e sensores medindo uma mudança de impedância para cada estímulo externo e mostramos que não são substancialmente afetados pelo alongamento da rede. Com a folha do sensor enrolada em uma pinça robótica macia, demonstramos vários cenários de interação, incluindo um burrito quente para manipulação de alimentos e uma boneca quente para aplicações médicas.

Houve enormes avanços no campo da robótica suave nos últimos anos. Em particular, foi demonstrado que mãos robóticas macias agarram e até manipulam objetos de formas complexas, frágeis ou deformáveis, um desafio perene para a robótica rígida convencional . Com base nessas capacidades, surgiram como uma solução promissora para aplicações industriais, de interação humana e médicas3,4,5. Apesar do seu potencial e progresso recente, a maioria dos robôs ainda não realiza atividades hábeis com essas mãos devido à falta de detecção para controle de feedback6,7,8. Conseqüentemente, o desenvolvimento de sensores para mãos robóticas suaves continua sendo um passo crítico.

Num esforço para imitar mãos robóticas suaves com detecção cutânea e facilitar a interação humano-robô, muitas soluções foram propostas9,10,11,12,13,14,15,16. No entanto, em muitos casos, os sensores robóticos leves estão principalmente preocupados em detectar o estado do próprio robô (por exemplo, detectar ângulos de curvatura ou pressão interna). Um número menor17,18,19,20,21 fornece detecção cutânea para informações sobre interações entre o robô e objetos ou superfícies. Em trabalhos relacionados, os pesquisadores desenvolveram sensores extensíveis para montagem na pele humana22,23,24,25,26,27. No entanto, a maioria deles não visa detectar fenômenos de contato, como a proximidade de um objeto agarrado ou a temperatura de sua superfície.

A integração de sensores tradicionais em robôs macios ou próteses introduz uma incompatibilidade em termos de suas propriedades mecânicas. A maioria dos sensores convencionais são rígidos, mas as superfícies dos robôs macios precisam se esticar e são curvas. Portanto, os sensores e as redes exigem formatos extensíveis e flexíveis para se adaptarem e se moverem com superfícies macias, sem efeitos de tensão indesejados no sinal do sensor. Apesar dos recentes avanços nas redes de detecção suave, os desafios persistentes incluem o custo e a complexidade da fabricação, a necessidade de personalização para diferentes aplicações e a integração de sensores com processamento. Além desses requisitos, aplicações como manipulação de alimentos e interação humana acrescentam a necessidade de sensores que sejam facilmente substituídos (e idealmente descartáveis) para evitar contaminação.

Para resolver esses problemas, o projeto e a demonstração da rede de sensores aqui relatados têm baixa complexidade de fabricação e integração, consistente com o custo e a facilidade de substituição necessários para produtos descartáveis. Este trabalho mostra como utilizar técnicas de fabricação de laser UV para a fabricação de matrizes multissensoriais extensíveis que abordam tais questões para aplicações robóticas e protéticas leves. Embora os elementos dos componentes da rede de detecção - como sensores28,29,30 e fios condutores31,32,33 fabricados pela fabricação de laser UV - tenham sido relatados, neste artigo apresentamos o projeto de uma rede de sensores multimodal conforme relatado aqui , incluindo uma combinação de vários sensores flexíveis e feixes de fios em redes extensíveis de kirigami. Ele permite fabricar múltiplos sensores e fios em uma rede de sensores de 50 × 50 mm2, com um custo de US$ 0,005 (USD) por filme plástico metalizado, em 3 min. Variando os parâmetros do feixe (potência, frequência, ciclo de trabalho, velocidade), padronizamos diferentes características em cada camada de metal e plástico do filme condutor flexível. A integração pode ser facilmente alcançada esticando o padrão de corte para envolvê-lo em superfícies de vários robôs macios comerciais. Ao modificar as dimensões do padrão, ele pode ser dimensionado e personalizado para diferentes aplicações com diferentes faixas dinâmicas, resolução espacial e elementos de detecção. Como exemplo, demonstramos três sensores de temperatura e seis sensores de proximidade em uma superfície interna de pinça macia de 30 × 50 mm voltada para a indústria de preparação de alimentos.