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

Stel je een wereld voor waarin robots niet zijn gebouwd van stijf metaal en tandwielen, maar van zachte, rekbare materialen zoals siliconen of rubber. Deze "zachte robots" zijn geweldig omdat ze door nauwe ruimtes kunnen wurmen, kwetsbare objecten zoals eieren kunnen hanteren en veilig met mensen kunnen interageren zonder hen pijn te doen. Maar er is een addertje onder het gras: om echt slim en behulpzaam te zijn, moet een robot weten waar zijn eigen lichaam zich in de ruimte bevindt. Dit vermogen wordt proprioceptie genoemd. Denk aan je eigen tastzin en lichaamshouding; je weet dat je arm omhoog is, zelfs met je ogen dicht, omdat je spieren en huid signalen naar je hersenen sturen.

Voor stijve, metalen robots is dit eenvoudig. Ze hebben gewrichten met minuscule encoders die precies tellen hoeveel ze gedraaid zijn. Maar zachte robots hebben geen gewrichten; ze buigen en draaien als een sliert spaghetti. Om hun vorm te bepalen, proberen ingenieurs meestal rekbare sensoren op hen te plakken. Echter, de meeste van deze flexibele sensoren zijn slordig. Ze zijn vaak "hystereseprocend", wat betekent dat als je ze uitrekt en weer loslaat, ze niet precies terugkeren naar hun oorspronkelijke meting, waardoor de robot in de war raakt. Ze zijn ook "ruisgevoelig", zoals een radio met statische ruis, waardoor het moeilijk is om kleine bewegingen waar te nemen. Erger nog, als je een zachte robot zijwaarts buigt, kan een normale sensor denken dat hij in de lengte wordt uitgerekt, waardoor de robot een verkeerd beeld krijgt van wat hij doet.

Hier komt een nieuwe uitvinding van onderzoekers van de Zhejiang University of Technology kijken, die probeert dit slordige probleem op te lossen. Ze hebben een speciale rekgevoelige sensor ontwikkeld die meer werkt als een nauwkeurige metalen liniaal dan als een zacht rubberen elastiek, ook al is hij gemaakt van zachte materialen.

Het team, onder leiding van Zhao Xu en Yi Song, heeft een apparaat ontwikkend genaamd een sliding-electrode de-shorting strain sensor (SEDSS). Om te begrijpen hoe dit werkt, stel je een lange, doorzichtige, rekbare rietje voor gevuld met een speciale geleidende vloeistof (ionische vloeistof). Stel je nu voor dat je twee metalen draden diep in dit rietje steekt, maar niet helemaal erdoorheen. In het begin staan deze metalen draden zo dicht bij elkaar dat ze de vloeistof tussen hen in "kortsluiten", waardoor het grootste deel van de vloeistof in het rietje effectief wordt genegeerd. Alleen een piepkleine opening van vloeistof tussen de uiteinden van de draden meet daadwerkelijk iets.

Hier is de magische truc: Wanneer je het rietje uitrekt om het te verlengen, wordt het rietje langer, maar de metalen draden binnenin blijven even lang. Omdat het rietje om hen heen rekt, glijden de draden relatief ten opzichte van de wanden van het rietje naar achteren. Terwijl ze glijden, "ont-kortsluiten" ze meer en meer van de vloeistof die eerder door hen werd genegeerd. Plotseling wordt die kleine actieve opening steeds langer en incorporeert het steeds meer van de geleidende vloeistof in het circuit.

Dit is een slimme verschuiving in de werking van de sensor. De meeste flexibele sensoren vertrouwen op het feit dat het materiaal zelf van interne structuur verandert (zoals het ontstaan van scheurtjes of het verschuiven van deeltjes) om een signaal te creëren. Dit proces is slordig en traag, wat leidt tot de eerder genoemde "hysteresis" en ruis. Maar deze nieuwe sensor vertrouwt op geometrie. Het is als een kraan: de metalen draden zijn de hendel en de vloeistof is het water. Het draaien van de hendel (het rekken van het rietje) opent simpelweg de klep om meer water door te laten stromen. Het is een schone, mechanische beweging die niet afhankelijk is van de "stemming" of de geschiedenis van het zachte materiaal. Omdat het signaal voortkomt uit de nauwkeurige beweging van starre metalen draden, is de sensor ongelooflijk stabiel en stil.

De onderzoekers testten dit "vloeistof-rigide-zachte" ontwerp en ontdekten dat het bijna net zo goed presteert als de gouden standaard van metalen sensoren die in de zware industrie worden gebruikt, maar dan met de flexibiliteit van een zachte robot. Over een rek van 0% tot 30% vertoonde de sensor een hysteresis van slechts 0,23%. Om dat in perspectief te plaatsen: dat is bijna net zo perfect als een metalen meetinstrument. Het had ook een signaal-ruisverhouding (SNR) van 59 dB bij 1% rek, wat betekent dat het signaal luid en duidelijk is, met een equivalente input-rekruis van slechts 11 microstrain (µε). Dit betekent dat het vervormingen kan detecteren die zo klein zijn als 33 delen per miljoen, wat ongelooflijk gevoelig is.

Misschien wel het meest opwindende deel is hoe de sensor omgaat met "off-axis" problemen. Zachte robots worden vaak gebogen, gedraaid of van de zijkant ingedrukt. Normale sensoren raken hierdoor in de war en sturen gemengde signalen. Maar de SEDSS is van nature immuun voor dit probleem. Omdat 96% van de vloeistof in de sensor wordt "kortgesloten" (genegeerd) door de metalen draden, heeft het buigen of draaien van de sensor vooral invloed op het genegeerde deel. Het actieve deel houdt alleen rekening met de verandering in lengte. Het team testte dit door de sensor 360 graden te buigen, **3 360 graden te draaien en met 50% in te drukken. In al deze extreme gevallen fluctueerde de output van de sensor nauwelijks en bleef deze onder de 0,5% van het volledige signaal. Het filtert effectief de "ruis" van buigen en draaien weg en luistert alleen naar de rek.

Om te bewijzen dat dit in de echte wereld werkt, bouwde het team een zachte siliconen kolom (als een enorme, flexibele vinger) en bevestigde drie van deze sensoren erop. Ze leerden een computer de signalen van slechts die drie sensoren te lezen en de vorm van de kolom te raden. Zelfs zonder camera's of andere hulpmiddelen kon het systeem de 3D-vorm van de kolom in realtime reconstrueren terwijl deze werd gebogen en gedraaid. De computer raadde de positie van de top met een fout van slechts ongeveer 6,20 mm en de hoek met een fout van 3,20 graden. Dit laat zien dat met slechts een paar van deze hoogwaardige sensoren, een zachte robot eindelijk zijn eigen lichaamsvorm kan "kennen" zonder een complex web van verwarrende draden of zware camera's nodig te hebben.

Het artikel concludeert dat dit "de-shorting" mechanisme een nieuwe manier biedt om flexibele sensoren te maken die net zo betrouwbaar zijn als metalen sensoren. Hoewel de huidige versie zorgvuldige handmatige assemblage vereist (wat kleine fouten in de startpositie van de draden kan introduceren), suggereren de auteurs dat dit met betere productiehulpmiddelen de standaard kan worden om zachte robots het gevoel van tast en lichaamsbewustzijn te geven die ze nodig hebben om veilig en intelligent met de wereld te interageren.