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npj Flexible Electronics volume 6, Numéro d'article : 94 (2022) Citer cet article

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Les mains robotiques souples peuvent faciliter l’interaction homme-robot en permettant aux robots de saisir un large éventail d’objets en toute sécurité et en douceur. Cependant, leurs performances ont été entravées par le manque de systèmes de détection adaptés. Nous présentons un réseau de capteurs multimodaux flexible et extensible intégré à une main robotique souple. La conception de capteurs câblés sur un film métallisé flexible a été concrétisée par une approche de fabrication qui utilise simultanément l'ablation métallique au laser UV et la découpe du plastique pour créer une électrode de capteur et des fils conducteurs étirables selon un motif Kirigami dans un réseau unique. Nous avons évalué les interconnexions et les capteurs en mesurant un changement d'impédance de chaque stimulus externe et avons montré qu'ils ne sont pas substantiellement affectés par l'étirement du réseau. Avec la feuille de capteur enroulée autour d'une pince robotique souple, nous avons démontré plusieurs scénarios d'interaction, notamment un burrito chaud pour la manipulation des aliments et une poupée chaude pour les applications médicales.

Des progrès considérables ont été réalisés dans le domaine de la robotique douce ces dernières années. En particulier, il a été démontré que les mains robotiques souples saisissent et même manipulent des objets de forme complexe, fragiles ou déformables, un défi permanent pour la robotique rigide conventionnelle1,2. Sur la base de ces capacités, ils sont apparus comme une solution prometteuse pour les applications industrielles, humaines et médicales3,4,5. Malgré leur potentiel et leurs progrès récents, la majorité des robots n’effectuent toujours pas d’activités adroites avec de telles mains en raison d’un manque de détection pour le contrôle par rétroaction6,7,8. Le développement de capteurs pour les mains robotiques souples reste donc une étape cruciale.

Dans le but d’imiter les mains robotiques douces avec détection cutanée et de faciliter l’interaction homme-robot, de nombreuses solutions ont été proposées9,10,11,12,13,14,15,16. Cependant, dans de nombreux cas, les capteurs robotiques logiciels visent principalement à détecter l'état du robot lui-même (par exemple, détecter les angles de courbure ou la pression interne). Un plus petit nombre17,18,19,20,21 fournissent une détection cutanée pour obtenir des informations sur les interactions entre le robot et des objets ou des surfaces. Dans le cadre de travaux connexes, les chercheurs ont développé des capteurs extensibles destinés à être montés sur la peau humaine22,23,24,25,26,27. Cependant, la plupart d’entre eux ne visent pas à détecter des phénomènes de contact comme la proximité d’un objet saisi ou la température de sa surface.

L’intégration de capteurs traditionnels sur des robots souples ou des prothèses introduit une inadéquation au niveau de leurs propriétés mécaniques. La plupart des capteurs conventionnels sont rigides, mais les surfaces des robots souples doivent s'étirer et sont courbées. Par conséquent, les capteurs et les réseaux nécessitent des facteurs de forme extensibles et flexibles pour s'adapter et se déplacer avec des surfaces molles, sans effets de contrainte indésirables dans le signal du capteur. Malgré les progrès récents dans les réseaux de détection douce, les défis persistants incluent le coût et la complexité de la fabrication, la nécessité de les personnaliser pour différentes applications et l'intégration des capteurs au traitement. En plus de ces exigences, des applications telles que la manipulation des aliments et l'interaction humaine ajoutent la nécessité de disposer de capteurs faciles à remplacer (et idéalement jetables) pour éviter toute contamination.

Pour résoudre ces problèmes, la conception et la démonstration du réseau de capteurs rapportées ici présentent une faible complexité de fabrication et d'intégration, cohérente avec le coût et la facilité de remplacement requis pour les produits jetables. Ce travail montre comment utiliser les techniques de fabrication du laser UV pour la fabrication de réseaux multi-capteurs extensibles qui répondent à ces problèmes pour les applications robotiques et prothétiques douces. Bien que les éléments des composants du réseau de détection, tels que les capteurs28,29,30 et les fils conducteurs31,32,33 fabriqués par fabrication de laser UV, aient été rapportés, dans cet article, nous présentons la conception d'un réseau de capteurs multimodal comme indiqué ici. , y compris une combinaison de plusieurs capteurs flexibles et faisceaux de fils sur des réseaux kirigami extensibles. Il permet de fabriquer plusieurs capteurs et fils sur un réseau de capteurs de 50 × 50 mm2, pour un coût de 0,005 $ (USD) pour un film plastique métallisé, en 3 minutes. En faisant varier les paramètres du faisceau (puissance, fréquence, rapport cyclique, vitesse), nous avons modélisé différentes caractéristiques sur chaque couche métallique et plastique du film conducteur flexible. L'intégration peut être facilement réalisée en étirant le motif découpé pour l'enrouler autour des surfaces de robots logiciels commerciaux de différentes formes. En modifiant les dimensions du motif, il peut être mis à l'échelle et personnalisé pour différentes applications avec des plages dynamiques, une résolution spatiale et des éléments de détection différents. À titre d'exemple, nous démontrons trois capteurs de température et six capteurs de proximité sur une surface intérieure de pince souple de 30 × 50 mm destinée à l'industrie de la préparation alimentaire.