Rivaling Foil Gauges: A Soft De-Shorting Strain Sensor with Intrinsic Off-Axis Insensitivity

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Roboter nicht aus steifem Metall und Zahnrädern bestehen, sondern aus weichen, dehnbaren Materialien wie Silikon oder Gummi. Diese „Soft-Roboter“ sind erstaunlich, weil sie durch enge Zwischenräume schlüpfen, zerbrechliche Objekte wie Eier handhaben können und sicher mit Menschen interagieren können, ohne sie zu verletzen. Aber es gibt einen Haken: Um wirklich intelligent und hilfreich zu sein, muss ein Roboter wissen, wo sich sein eigener Körper im Raum befindet. Diese Fähigkeit wird Propriozeption genannt. Denken Sie an Ihren eigenen Tastsinn und Ihre Körperposition; Sie wissen, dass Ihr Arm erhoben ist, selbst wenn Sie die Augen geschlossen haben, weil Ihre Muskeln und Ihre Haut Signale an Ihr Gehirn senden.

Für starre Metallroboter ist das einfach. Sie haben Gelenke mit winzigen Encodern, die genau zählen, wie weit sie sich gedreht haben. Aber Soft-Roboter haben keine Gelenke; sie biegen und verdrehen sich wie eine Nudel. Um ihre Form zu bestimmen, versuchen Ingenieure normalerweise, dehnbare Sensoren an ihnen anzubringen. Die meisten dieser flexiblen Sensoren sind jedoch unordentlich. Sie sind oft „hystereseanfällig“, was bedeutet, dass sie nach dem Dehnen und Loslassen nicht ganz zu ihrem ursprünglichen Messwert zurückkehren, was den Roboter verwirrt lässt. Sie sind auch „rauschig“, wie ein Radio mit statischem Rauschen, was es schwierig macht, kleinste Bewegungen zu erkennen. Schlimmer noch: Wenn man einen Soft-Roboter seitlich biegt, könnte ein normaler Sensor denken, er würde sich in der Länge dehnen, was dazu führt, dass der Roboter eine falsche Vorstellung davon bekommt, was er gerade tut.

Hier kommt eine neue Erfindung von Forschern der Zhejiang University of Technology ins Spiel, die versucht, dieses unordentliche Problem zu lösen. Sie haben einen speziellen Dehnungssensor entwickelt, der sich trotz seiner weichen Materialien eher wie ein präzises Metalllineal als wie ein dehnbares Gummiband verhält.

Das Team unter der Leitung von Zhao Xu und Yi Song entwickelte eine Vorrichtung namens Sliding-Electrode De-shorting Strain Sensor (SEDSS). Um zu verstehen, wie er funktioniert, stellen Sie sich einen langen, klaren, dehnbaren Strohhalm vor, der mit einer speziellen leitfähigen Flüssigkeit (Ionenflüssigkeit) gefüllt ist. Stellen Sie sich nun vor, Sie stecken zwei Metalldrähte tief in diesen Strohhalm, aber nicht ganz hindurch. Zu Beginn liegen diese Metalldrähte so nah beieinander, dass sie die Flüssigkeit zwischen ihnen „kurzschließen“, wodurch der Großteil der Flüssigkeit im Strohhalm effektiv ignoriert wird. Nur eine winzige Lücke der Flüssigkeit zwischen den Spitzen der Drähte misst tatsächlich etwas.

Hier geschieht der magische Trick: Wenn man den Strohhalm zieht, um ihn zu dehnen, wird der Strohhalm länger, aber die Metalldrähte im Inneren behalten dieselbe Länge bei. Da der Strohhalm um sie herum gedehnt wird, gleiten die Drähte relativ zu den Wänden des Strohhalms zurück. Während sie gleiten, „ent-kurzschließen“ oder setzen sie immer mehr von der Flüssigkeit frei, die zuvor ignoriert wurde. Plötzlich wird diese winzige aktive Lücke der Flüssigkeit immer länger und integriert immer mehr der leitfähigen Flüssigkeit in den Schaltkreis.

Dies ist ein kluger Wechsel in der Funktionsweise des Sensors. Die meisten flexiblen Sensoren verlassen sich darauf, dass das Material selbst seine interne Struktur verändert (wie etwa das Entstehen von Rissen oder das Verschieben von Partikeln), um ein Signal zu erzeugen. Dieser Prozess ist unordentlich und langsam, was zu der erwähnten „Hysterese“ und dem Rauschen führt. Aber dieser neue Sensor beruht auf der Geometrie. Es ist wie ein Wasserhahn: Die Metalldrähte sind der Griff und die Flüssigkeit ist das Wasser. Das Drehen des Griffs (das Dehnen des Strohhalms) öffnet einfach das Ventil, um mehr Wasser fließen zu lassen. Es ist eine saubere, mechanische Bewegung, die nicht von der „Laune“ oder der Vorgeschichte des weichen Materials abhängt. Da das Signal von der präzisen Bewegung starrer Metalldrähte kommt, ist der Sensor unglaublich stabil und ruhig.

Die Forscher testeten dieses „Flüssigkeits-Starr-Weich“-Design und fanden heraus, dass es fast so gut abschneidet wie die Goldstandard-Metallsensoren, die in der Schwerindustrie verwendet werden, jedoch mit der Flexibilität eines Soft-Roboters. Über eine Dehnung von 0 % bis 30 % zeigte der Sensor eine Hysterese von nur 0,23 %. Um dies einzuordnen: Das ist fast so perfekt wie ein Metermessgerät. Er hatte zudem ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von 59 dB bei 1 % Dehnung, was bedeutet, dass das Signal laut und klar ist, mit einem äquivalenten Eingangsdehnungsrauschen von nur 11 Mikrostrain (µε). Das bedeutet, er kann Verformungen von nur 33 Parts per Million (ppm) erkennen, was unglaublich empfindlich ist.

Der vielleicht spannendste Teil ist, wie der Sensor mit „Off-Axis“-Problemen umgeht. Soft-Roboter werden oft gebogen, verdreht oder von der Seite zusammengedrückt. Normale Sensoren werden dadurch verwirrt und senden gemischte Signale. Aber der SEDSS ist von Natur aus immun gegen dies. Da 96 % der Flüssigkeit im Inneren des Sensors „kurzgeschlossen“ (ignoriert) werden, beeinflusst das Biegen oder Verdrehen des Sensors hauptsächlich den ignorierten Teil. Der aktive Teil interessiert sich nur für die Längenänderung. Das Team testete dies, indem es den Sensor um 360 Grad bog, ihn um 360 Grad verdrehte und ihn um 50 % zusammendrückte. In all diesen extremen Fällen schwankte der Ausgang des Sensors kaum und blieb unter 0,5 % seines vollen Signals. Er filtert das „Rauschen“ durch Biegen und Verdrehen effektiv heraus und hört nur auf die Dehnung.

Um zu beweisen, dass dies in der realen Welt funktioniert, baute das Team eine weiche Silikonstütze (ähnlich einem riesigen, flexiblen Finger) und klebte drei dieser Sensoren darauf. Sie brachten einem Computer bei, die Signale von nur diesen drei Sensoren zu lesen und die Form der Stütze zu erraten. Selbst ohne Kameras oder andere Werkzeuge konnte das System die 3D-Form der Stütze in Echtzeit rekonstruieren, während diese gebogen und verdreht wurde. Der Computer errat die Position der Spitze mit einem Fehler von nur etwa 6,20 mm und den Winkel mit einem Fehler von 3,20 Grad. Dies zeigt, dass ein Soft-Roboter mit nur wenigen dieser hochwertigen Sensoren endlich seinen eigenen Körperbau „kennen“ kann, ohne ein komplexes Geflecht aus verwirrenden Drähten oder schweren Kameras zu benötigen.

Das Paper kommt zu dem Schluss, dass dieser „De-Shorting“-Mechanismus einen neuen Weg bietet, flexible Sensoren herzustellen, die so zuverlässig wie Metallsensoren sind. Während die aktuelle Version eine sorgfältige manuelle Montage erfordert (was kleine Fehler in der Ausgangsposition der Drähte einführen kann), schlagen die Autoren vor, dass dies mit besseren Fertigungswerkzeugen zu einem Standardweg werden könnte, um Soft-Robotern den Tastsinn und das Körperbewusstsein zu geben, die sie brauchen, um sicher und intelligent mit der Welt zu interagieren.