I peli artificiali forniscono una maggiore sensibilità all'e-skin / Artificial hairs provide added sensitivity to e-skin
I peli artificiali forniscono una maggiore sensibilità all'e-skin / Artificial hairs provide added sensitivity to e-skin
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
I sensori medici o la pelle artificiale per i robot umanoidi potrebbero diventare più sensibili con una nuova pelle elettronica integrata con peli artificiali.
I peli superficiali percepiscono e anticipano la sensazione tattile sulla pelle umana e riconoscono persino la direzione del tatto, ma i moderni sistemi elettronici della pelle mancano di questa capacità e non possono raccogliere queste informazioni sulla loro vicinanza.
Ora, un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, capo della cattedra di Sistemi di materiali per la nanoelettronica e direttore scientifico del Centro di ricerca per i materiali, le architetture e l'integrazione delle nanomembrane (MAIN) presso la Chemnitz University of Technology, Germania, ha adottato un nuovo approccio allo sviluppo di sensori di campo magnetico 3D estremamente sensibili e dipendenti dalla direzione che possono essere integrati in un sistema e-skin (matrice attiva). I risultati del gruppo sono riportati in Nature Communications.
In una dichiarazione, Christian Becker, uno studente di dottorato presso MAIN e primo autore dello studio, ha dichiarato: "Il nostro approccio consente una precisa disposizione spaziale degli elementi sensoriali funzionali in 3D che possono essere prodotti in serie in un processo di produzione parallelo. Tali sistemi di sensori sono estremamente difficile da generare con metodi di fabbricazione microelettronica consolidati."
Il cuore del sistema è un sensore di magnetoresistenza anisotropica (AMR), che può essere utilizzato per determinare con precisione i cambiamenti nei campi magnetici. Le attuali applicazioni per i sensori AMR includono sensori di velocità nelle automobili o la determinazione della posizione e dell'angolo di componenti in movimento nei macchinari.
Per sviluppare il sistema di sensori altamente compatto, i ricercatori hanno sfruttato il cosiddetto " processo micro-origami ". Questo processo viene utilizzato per piegare i componenti del sensore AMR in architetture tridimensionali in grado di risolvere il campo magnetico vettoriale in tre dimensioni.
Secondo il gruppo, compresi i ricercatori dell'IFW Dresden, il micro-origami consente a molti componenti microelettronici di adattarsi ad uno spazio ridotto e di disporli in una geometria che non è realizzabile con alcuna tecnologia di microfabbricazione convenzionale.
"I processi di micro-origami sono stati sviluppati più di 20 anni fa ed è meraviglioso vedere come il pieno potenziale di questa elegante tecnologia possa ora essere sfruttato per nuove applicazioni microelettroniche", ha affermato il prof. Schmidt.
Il gruppo di ricerca ha integrato l'array di sensori magnetici micro-origami 3D in un'unica matrice attiva, in cui ogni singolo sensore può essere indirizzato e letto da circuiti microelettronici.
"La combinazione di sensori magnetici a matrice attiva con architetture micro-origami autoassemblanti è un approccio completamente nuovo per miniaturizzare ed integrare sistemi di rilevamento 3D ad alta risoluzione", ha affermato il dott. Daniil Karnaushenko, che ha contribuito all'ideazione, progettazione ed implementazione del progetto.
Il gruppo di ricerca ha affermato di essere riuscito a integrare i sensori di campo magnetico 3D con peli fini radicati magneticamente in una pelle elettronica artificiale, che è fatta di un materiale elastomerico in cui sono incorporati l'elettronica ed i sensori.
Come con la pelle umana, ogni capello su una e-skin diventa un'unità sensore completa in grado di percepire e rilevare i cambiamenti nelle vicinanze, quindi l'accoppiamento magneto-meccanico tra il sensore magnetico 3D e la radice magnetica del capello - in tempo reale - fornisce un nuovo tipo di percezione sensibile al tocco da parte di un sistema e-skin. Secondo il gruppo, questa potrebbe essere una caratteristica di sicurezza particolarmente utile nella futura interazione uomo-robot.
ENGLISH
Medical sensors or artificial skin for humanoid robots could become more sensitive with a new e-skin integrated with artificial hairs.
Surface hairs perceive and anticipate the tactile sensation on human skin and even recognise the direction of touch, but modern electronic skin systems lack this capability and cannot gather this information about their vicinity.
Now, a research team led by Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, head of the Professorship of Material Systems for Nanoelectronics and Scientific Director of the Research Center for Materials, Architectures and Integration of Nanomembranes (MAIN) at Chemnitz University of Technology, Germany, has adopted a new approach to the development of extremely sensitive and direction-dependent 3D magnetic field sensors that can be integrated into an e-skin system (active matrix). The team’s findings are reported in Nature Communications.
In a statement, Christian Becker, a PhD student at MAIN and first author of the study said: "Our approach allows a precise spatial arrangement of functional sensor elements in 3D that can be mass-produced in a parallel manufacturing process. Such sensor systems are extremely difficult to generate by established microelectronic fabrication methods."
The core of the system is a anisotropic magnetoresistance (AMR) sensor, which can be used to precisely determine changes in magnetic fields. Current applications for AMR sensors include speed sensors in cars or determining the position and angle of moving components in machinery.
To develop the highly compact sensor system, the researchers took advantage of the so-called "micro-origami process". This process is used to fold AMR sensor components into three-dimensional architectures that can resolve the magnetic vector field in three dimensions.
According to the team, including researchers from IFW Dresden, micro-origami allows many microelectronic components to fit into small space and arrange them in a geometry that is not achievable by any conventional microfabrication technologies.
"Micro-origami processes were developed more than 20 years ago, and it is wonderful to see how the full potential of this elegant technology can now be exploited for novel microelectronic applications," said Prof. Schmidt.
The research team integrated the 3D micro-origami magnetic sensor array into a single active matrix, where each individual sensor can be addressed and read-out by microelectronic circuitry.
"The combination of active-matrix magnetic sensors with self-assembling micro-origami architectures is a completely new approach to miniaturise and integrate high-resolution 3D sensing systems," said Dr. Daniil Karnaushenko, who contributed to the concept, design and implementation of the project.
The research team said it has succeeded in integrating the 3D magnetic field sensors with magnetically rooted fine hairs into an artificial e-skin, which is made of an elastomeric material into which the electronics and sensors are embedded.
As with human skin, each hair on an e-skin becomes a full sensor unit that can perceive and detect changes in the vicinity, so the magneto-mechanical coupling between 3D magnetic sensor and magnetic hair root - in real-time - provides a new type of touch-sensitive perception by an e-skin system. According to the team, this could be a particularly useful safety feature in future human-robot interaction.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/content/other/artificial-hairs-provide-added-sensitivity-to-e-skin
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