ultravioleta

npj Flexible Electronics volumen 6, número de artículo: 94 (2022) Citar este artículo

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Las suaves manos robóticas pueden facilitar la interacción entre humanos y robots al permitirles agarrar una amplia gama de objetos de forma segura y suave. Sin embargo, su rendimiento se ha visto obstaculizado por la falta de sistemas de detección adecuados. Presentamos una red de sensores multimodal flexible y extensible integrada con una mano robótica suave. El diseño de sensores cableados sobre una película metalizada flexible se materializó a través de un enfoque de fabricación que utiliza ablación de metal con láser UV y corte de plástico simultáneamente para crear electrodos sensores y cables conductores estirables en un patrón Kirigami en una sola red. Evaluamos las interconexiones y los sensores midiendo un cambio de impedancia a cada estímulo externo y demostramos que no se ven afectados sustancialmente por el estiramiento de la red. Con la lámina del sensor envuelta alrededor de una pinza robótica suave, demostramos varios escenarios de interacción, incluido un burrito caliente para manipular alimentos y una muñeca bebé caliente para aplicaciones médicas.

En los últimos años se han producido enormes avances en el campo de la robótica blanda. En particular, se ha demostrado que las manos robóticas blandas pueden agarrar e incluso manipular objetos de formas complejas, frágiles o deformables, un desafío perenne para la robótica rígida convencional1,2. Sobre la base de estas capacidades, han surgido como una solución prometedora para aplicaciones industriales, de interacción humana y médicas3,4,5. A pesar de su potencial y progreso reciente, la mayoría de los robots todavía no realizan actividades diestras con tales manos debido a la falta de detección para el control de retroalimentación6,7,8. Por tanto, el desarrollo de sensores para manos robóticas blandas sigue siendo un paso fundamental.

En un esfuerzo por imitar las suaves manos robóticas con detección cutánea y facilitar la interacción entre humanos y robots, se han propuesto muchas soluciones9,10,11,12,13,14,15,16. Sin embargo, en muchos casos, los sensores robóticos blandos se ocupan principalmente de detectar el estado del propio robot (por ejemplo, detectar ángulos de flexión o presión interna). Un número menor17,18,19,20,21 proporciona detección cutánea para obtener información sobre las interacciones entre el robot y objetos o superficies. En trabajos relacionados, los investigadores han desarrollado sensores estirables para montarlos en la piel humana22,23,24,25,26,27. Sin embargo, la mayoría de ellos no están destinados a detectar fenómenos de contacto como la proximidad a un objeto agarrado o la temperatura de su superficie.

La integración de sensores tradicionales en robots blandos o prótesis introduce un desajuste en términos de sus propiedades mecánicas. La mayoría de los sensores convencionales son rígidos, pero las superficies de los robots blandos deben estirarse y son curvas. Por lo tanto, los sensores y las redes requieren factores de forma estirables y flexibles para adaptarse y moverse con superficies blandas, sin efectos de tensión no deseados en la señal del sensor. A pesar de los avances recientes en las redes de detección suave, los desafíos persistentes incluyen el costo y la complejidad de la fabricación, la necesidad de personalizarlas para diferentes aplicaciones y la integración de sensores con el procesamiento. Además de estos requisitos, aplicaciones como la manipulación de alimentos y la interacción humana añaden la necesidad de tener sensores que sean fácilmente reemplazados (e idealmente desechables) para evitar la contaminación.

Para abordar estos problemas, el diseño y la demostración de la red de sensores que se presenta aquí tienen una baja complejidad de fabricación e integración, consistente con el costo y la facilidad de reemplazo requeridos para los desechables. Este trabajo muestra cómo utilizar técnicas de fabricación con láser UV para la fabricación de matrices multidetección estirables que abordan estos problemas para aplicaciones protésicas y robóticas blandas. Aunque se han informado los elementos de los componentes de la red de detección, como sensores28,29,30 y cables conductores31,32,33 fabricados mediante fabricación con láser UV, en este artículo presentamos el diseño de una red de sensores multimodal como se informa aquí. , incluida una combinación de múltiples sensores flexibles y haces de cables en redes kirigami extensibles. Permite fabricar múltiples sensores y cables en una red de sensores de 50 × 50 mm2, con un costo de $0,005 (USD) para una película de plástico metalizado, en 3 minutos. Al variar los parámetros del haz (potencia, frecuencia, ciclo de trabajo, velocidad), modelamos diferentes características en cada capa de metal y plástico de película conductora flexible. La integración se puede lograr fácilmente estirando el patrón de corte para envolverlo alrededor de las superficies de robots blandos comerciales de varias formas. Al modificar las dimensiones del patrón, se puede escalar y personalizar para diferentes aplicaciones con diferentes rangos dinámicos, resolución espacial y elementos de detección. Como ejemplo, demostramos tres sensores de temperatura y seis de proximidad en una superficie interior de pinza blanda de 30 × 50 mm destinada a la industria de preparación de alimentos.

En las siguientes secciones, describimos el diseño de una red de sensores flexible para la fabricación de un solo material en un solo paso y presentamos pruebas de caracterización, que respaldan la demostración de la red de sensores en una mano robótica suave para tareas tales como agarrar objetos fríos y calientes ( ej., un burrito) o tocar la frente de un bebé.

El enfoque de detección que se describe aquí se basa en una película de PET (tereftalato de polietileno) metalizado y está modelado mediante ablación y corte con láser UV. El material es el mismo que se utiliza habitualmente para las películas reflectantes para ventanas y los globos de helio para fiestas. Al controlar la potencia de un láser UV, podemos crear patrones de sensores, extirpar el metal sin dañar el plástico que se encuentra debajo, y luego cortar la película para crear interconexiones altamente estirables. Fabricamos una piel robótica que consta de sensores conectados por cables Kirigami, expandidos e incrustados en caucho de silicona suave y estirable (Fig. 1a). Luego, la piel se estira y se envuelve alrededor de los dedos suaves para mantenerla adherida sin arrugas mientras los dedos se flexionan y extienden (Fig. 1b, c).

Para mejorar la capacidad de detección de una mano robótica suave (Soft Robotics Inc.), se incrusta una red de sensores en una piel de silicona transparente y se estira alrededor de ella. a Imagen de la red de sensores en un dedo robótico blando. b, c La red admite grandes deflexiones de flexión, como se muestra en las películas complementarias 1 y 2. d Vista ampliada de una unidad de detección térmica (trazas de 130 μm de ancho × 330 mm de longitud de pista) e interconexiones estirables (trazas de 40–250 μm de ancho × 30 mm longitud de la traza) (e). Detalle de interconexiones incrustadas en una piel de silicona.

La red de ejemplo, que se muestra en la Fig. 1a, consta de 4 sensores de temperatura y 4 sensores de proximidad con interconexiones que proporcionan 8 señales y 2 cables de tierra encaminados al dorso de los dedos. Los sensores ocupan almohadillas discretas (Fig. 1d) que son flexibles pero no estirables localmente (la tensión máxima es 0,03, con un cambio de impedancia de <0,01% para 60 pruebas cíclicas). El estiramiento se produce en las interconexiones serpentinas (Fig. 1e), que se expanden sin afectar sustancialmente las lecturas del sensor. Los conectores serpentinos pueden contener múltiples pistas conductoras, lo que resulta útil para conectar varios sensores a un convertidor analógico a digital (ADC).

Los láseres ultravioleta son una opción popular para cortar y modelar películas delgadas de muchos materiales, incluidos plásticos, metales y compuestos34. Utilizamos un láser UV de diodo (2,66 W, 354,7 nm, DPSS Laser Inc.) para crear los sensores y cortar la película en una sola configuración (Fig. 2a). Para la red que se informa aquí, comenzamos con láminas fácilmente disponibles de película de PET (tereftalato de polietileno) transparente de 50 μm de espesor con un revestimiento de aluminio reflectante de 50 nm de espesor. Realizamos un estudio paramétrico en una variedad de configuraciones del láser para cumplir con los siguientes objetivos: hacer trazos lo más delgados posible, al mismo tiempo que garantizamos la eliminación completa del metal de los espacios entre los trazos y evitamos daños a la película subyacente. Obtuvimos los mejores resultados de modelado con las siguientes configuraciones: una sola pasada al 100% de la potencia nominal de 2,66 W, con una velocidad de escaneo de 2000 mm s-1 y una frecuencia de 60 kHz. En estas condiciones, el ancho mínimo de la traza es de 30 µm y el ancho mínimo del espacio entre trazas es de 20 µm. Para diferentes metales (p. ej., cobre) y espesores de película, estos ajustes y dimensiones pueden cambiar.

a Ilustración de la estrategia de ablación con láser, que utiliza baja potencia para modelar los rastros de metal y mayor potencia para cortar la película de PET (tereftalato de polietileno). b Imágenes microscópicas de sensores y cables que muestran sensores de aluminio extirpados (rojo) y cables de interconexión cortados (cian). Las barras negras pesadas muestran una escala de longitud de 200 μm. c Diagramas e imágenes que muestran el estiramiento de interconexiones de Kirigami. d Propiedades eléctricas y (e) mecánicas de interconexiones estirables con diferentes anchos de cable (las huellas llenan todo el ancho de la película).

Después del modelado, cortamos la película para crear una estructura Kirigami. Después de probar varios parámetros de corte para lograr un corte limpio y sin bordes carbonizados que pudieran producir cortocircuitos, obtuvimos los mejores resultados con las siguientes configuraciones: Pasan 7 veces al 100% de la potencia nominal de 2,66 W, con una velocidad de escaneo de 150 mm s− 1, y frecuencia de 30 kHz. Para diferentes plásticos (p. ej., poliimida) y espesores de película, estos ajustes cambiarán. Con estos ajustes, es posible cortar tiras de hasta 50 μm de espesor (ancho de eliminación de 50 μm) con trazas de aluminio de hasta 30 μm de ancho (ancho de eliminación de 20 μm). La Figura 2b muestra cuatro segmentos secuenciales de una interconexión típica antes de la expansión. Los segmentos tienen 350 μm de ancho y están separados por espacios de 50 μm que atraviesan la capa de PET para crear tiras paralelas. En cada tira hay tres pistas conductoras paralelas con espacios de 20 μm de aluminio sometido a ablación.

El proceso de fabricación para crear la red de sensores es rápido y económico. El costo de la película es inferior a $2 (USD) por metro cuadrado, y se necesitan aproximadamente 3 minutos para fabricar 50 × 50 mm de dispositivos sensores e interconexiones en una configuración no expandida. Agregar una plataforma horizontal o rodillos de alimentación al láser permitiría fabricar áreas más grandes en una sola configuración.

La Figura 2c muestra esquemáticamente cómo se estiran las interconexiones, acompañada de imágenes de interconexiones estiradas 30x y 70x. Observamos que el rayo láser UV tiene un patrón focal circular que forma bordes redondeados al cortar patrones serpentinos; esto es beneficioso para la distribución del estrés.

Para simplificar, creamos sensores e interconexiones en un patrón de mosaico con regiones de 10 × 10 mm intercaladas con interconexiones de 10 × 10 mm. Por lo tanto, para un área inicial de película determinada de 10 × 10 mm, el diseño de la interconexión implica una compensación (Fig. 2d). En esencia, los patrones para pistas delgadas (interconexión de 50 μm de ancho con pista conductora de 50 μm de ancho) tienen mayor resistencia pero también pueden estirarse más antes de tensarse, momento en el cual la resistencia comienza a cambiar. La resistencia a la traza está dada por

Las resistencias iniciales de las trazas de 50, 150, 250, 350 y 450 μm son 14,4, 3,4, 1,3, 0,85 y 0,51 kΩ (desviación estándar de ±2 a 10%), respectivamente. La traza más delgada también muestra el menor cambio en la resistencia al estirarse hasta 70x porque sufre la menor tensión del material en las esquinas a medida que la interconexión se expande y endereza (ver Fig. 2c). Para las trazas de 50 μm, el cambio en la resistencia es aproximadamente del 1 %, cuando la interconexión se estira 70 veces; menos del 17% para 80x de estiramiento. Los cambios de resistencia de las interconexiones Kirigami de 150, 250, 350 y 450 μm de ancho permanecen por debajo del 1% con deformaciones de 3500%, 2000%, 1600% y 1400%, respectivamente.

La Figura 2e muestra el comportamiento de fuerza/extensión de las interconexiones durante el estiramiento. Todos los patrones de interconexión tienen una rigidez relativamente baja (aproximadamente 0,1 N por 0,4 m) hasta que se tensan.

El sensor de proximidad se fabrica modelando dos electrodos de peine interdigitados (Fig. 3a). El campo marginal generado entre los electrodos cambia a medida que un objeto conductor (por ejemplo, un dedo humano o una varilla de metal) se acerca al sensor. El rango y la resolución del sensor se pueden ajustar según el ancho y la longitud del patrón35:

donde C es la capacitancia marginal y ε es la constante dieléctrica. El ancho (W) del electrodo es ajustable, el espesor (t) es de 50 nm y el espacio (h) es de 20 μm, según las limitaciones de fabricación. Si los electrodos del peine son más delgados y densos en las áreas designadas del sensor, se obtiene una capacitancia inicial mayor, lo que aumenta la sensibilidad (Fig. 3b). Para la red de sensores, se elige un patrón de peine de 130 μm de ancho ya que tiene menos del 10% de variación en el ancho de línea debido a las tolerancias de fabricación. La simulación de elementos finitos de la capacitancia marginal para objetos que se acercan se realizó utilizando COMSOL Multiphysics® v. 5.4. y demostró que un patrón de traza de 130 μm de ancho con espacios de 20 μm debería tener una capacitancia inicial de 1,85 pF para un objeto que está a 3 mm de distancia. A medida que el objeto se acerca, la capacitancia aumenta aproximadamente 2 pF a medida que la brecha se acerca a cero.

a El sensor de proximidad está hecho de patrones de peine interdigitados de aluminio sobre una película de PET. b La resolución y el alcance de la detección se pueden ajustar mediante la capacitancia inicial, que depende del número y las dimensiones de las trazas; Los resultados coinciden con las simulaciones numéricas en COMSOL. c La distancia desde un objeto que se acerca (<3 mm) se mide mediante el cambio de la capacitancia de franjas. d El sensor de temperatura está formado por un patrón serpenteante con una relación longitud:ancho de 60.000:1. e La resolución y el rango de detección de temperatura varían con la resistencia inicial que depende del ancho y largo de la traza; Los resultados coinciden con el cálculo teórico. f La temperatura de 0 a 60 °C se mide mediante la resistencia, que cambia aproximadamente de forma lineal con la temperatura.

El sensor de temperatura se fabrica modelando un trazo serpenteante (Fig. 3d). Dado que el aluminio es un metal termorresistivo, su resistencia aumenta con la temperatura:

donde α es el coeficiente de resistencia a la temperatura (TCR) del material utilizado como electrodo, R0 es la resistencia inicial a la temperatura de referencia y R es la resistencia a la temperatura T. El rango y la resolución del sensor se pueden ajustar según el ancho ( W) y largo (L) del patrón:

Los sensores con un patrón más delgado y denso tienen una mayor resistencia inicial y una mayor sensibilidad, como se ve en la Fig. 3e; los resultados teóricos y empíricos coinciden dentro del 7%. Para la red de sensores, se elige a partir del análisis teórico un patrón de cables serpenteantes de 130 μm de ancho. Dada la resistencia y el cambio en la resistencia, un electrodo serpenteante de 130 μm de ancho con un espacio de 20 μm puede detectar 0,1 °C. Cuando el sensor fabricado se coloca en un horno, la resistencia de la traza de 130 μm de ancho aumenta casi linealmente con la temperatura en un rango de 0 a 60 °C (Fig. 3f). Por lo tanto, hay una diferencia de resistencia de aproximadamente 600 Ω entre 0 y 60 °C. Ajustando una curva definida por la ecuación. (3) los datos dan como resultado un TCR medido de 3,14 × 10−3, que es comparable al TCR informado del aluminio (3,9 × 10−3)36; Se espera alguna diferencia, dada la muy fina capa de aluminio de la película de PET.

La Figura 4 muestra redes de temperatura y sensores de temperatura y proximidad montados en puntas de dedos robóticas (Soft Robotics Inc.). Las interconexiones se dirigen al dorso de la mano y se conectan mediante epoxi plateado conductor (Chemtronics CW2400) a cables y a un convertidor analógico a digital. Los sensores de 5 × 10 mm se montan utilizando cinta VHB suave de 1 mm de espesor (3 M) en las crestas del interior de los dedos, donde generalmente se produce el contacto. Estas crestas sufren menos tensión que otras partes de los dedos. Sin embargo, es interesante saber si los sensores de temperatura, que también son sensibles a la tensión, se ven afectados al abrir y cerrar los dedos. Las Figuras 4c, d muestran que las lecturas del sensor cambian poco (0,024% y 0,026%, respectivamente) durante dos ciclos sucesivos de apertura y cierre. La figura complementaria 1 en el material complementario muestra que estos cambios permanecen constantes durante 30 ciclos de apertura y cierre.

a Integración de la red de sensores en los dedos robóticos blandos (izquierda). La red incluye ocho sensores de temperatura (T1-T8) con trazas de 130 μm de ancho, conectados por interconexiones cortadas de 350 μm con 1 a 5 trazas (de 350 mm a 50 μm de ancho por ruta eléctrica). b Imagen y diagrama de circuito de la red multimodal de sensores de temperatura y proximidad. Las interconexiones son como en (a). c, d El cambio de resistencia medido es pequeño al cerrar y abrir los dedos.

La Figura 5 muestra cómo responden los sensores de contacto al adquirir, agarrar y mover botellas de agua de aluminio frías y calientes. El sensor de proximidad se utiliza para detectar un objeto que se acerca sin tocarlo, evitando así abrasión o daño al objeto. Distancia de aproximación entre un robot blando y un objeto soportado para controlar la actuación del robot blando. Cuando el sensor de proximidad indica el contacto de la pinza suave, deja de agarrar y permanece en la posición mientras los sensores de temperatura miden la temperatura. Durante la aproximación, los ocho sensores muestran una lectura de (24,9 °C). El par T2 y T6 son los más cercanos a la superficie máxima de la botella e inicialmente tienen las áreas de contacto más grandes, por lo que responden rápidamente. Posteriormente, a medida que los dedos continúan cerrándose, los demás sensores que están en contacto (T3, T7) se acercan a la misma temperatura, mientras que los sensores proximales (T4, T8) muestran un pequeño aumento de temperatura. Como resultado, la temperatura medida fue de 5,48 °C, en comparación con la temperatura (5,5 °C) medida con un termómetro sumergido en el agua. Los resultados con una bolsa de agua caliente son similares. La temperatura medida con la pinza es de 55,2 °C, mientras que la temperatura real es de 55,7 °C.

(a) Imágenes de (i) acercándose, (ii) tocando, (iii) agarrando y (iv) llevando una botella de aluminio fría (5,5 °C) llena de agua. Los diagramas (ii) y (iii) muestran qué sensores están en contacto para las fases correspondientes. (c) muestra las lecturas correspondientes del sensor. (b, d) muestran la misma secuencia que (a, c) pero con una bolsa de agua caliente (55,7 °C).

La Figura 6 ilustra el grado de repetibilidad que se espera para los sensores de proximidad y temperatura de contacto durante múltiples ciclos de actuación. Las figuras muestran los resultados cuando el dedo entra en contacto y se adapta seis veces a un frasco de vidrio lleno de agua tibia. Mientras el dedo entra en contacto con el frasco, la tensión sobre la superficie del dedo robótico es del 4,3 % (71 % de la tensión máxima). Para procesar datos e informar una medición de temperatura, convertimos la resistencia medida a temperatura usando la ecuación. (3). La temperatura del objeto la proporciona la temperatura de un contacto, que podría ser proporcionada por sensores de proximidad en la red. Los sensores P1 y P2, y los sensores de temperatura correspondientes T1 y T2, hacen contacto con el frasco y, por lo tanto, muestran una respuesta mucho mayor que los otros sensores. La temperatura medida en la red es de 38 °C, lo que se acerca a la temperatura del agua, 39 °C.

a Esquemas e imágenes de un dedo con sensores de temperatura (T1-T4) y proximidad (P1-P4) para seis ciclos de contacto y actuación del dedo. El objeto objetivo es un frasco cilíndrico lleno de agua a 38,0 °C. b Medición de la distribución de proximidad y (c) Medición de la distribución de temperatura durante los seis ciclos de actuación.

Los resultados anteriores sugieren una aplicación que involucra la manipulación de alimentos preparados. Para examinar más a fondo esta aplicación, utilizamos la red de sensores para agarrar un burrito caliente o frío envuelto en papel de aluminio. En esta aplicación, los sensores de proximidad son útiles para asegurar un contacto firme sin presión excesiva, y los sensores de temperatura son útiles para monitorear la temperatura. Debido a que el burrito está envuelto en papel de aluminio, un termómetro óptico no proporciona una lectura confiable de la temperatura. La termometría infrarroja (IR) se ha utilizado habitualmente en robótica para detectar la temperatura de un objeto objetivo37. Sin embargo, la detección del termómetro de infrarrojos depende de la emisividad del material38; por ejemplo, la emisividad es 1,2 para el aluminio y sólo 0,1 para el agua. Como se muestra en la película complementaria 3, las temperaturas medidas por un termómetro de infrarrojos no son confiables ya que las temperaturas medidas en las superficies exterior e interior del burrito son diferentes. La detección de temperatura por contacto directo puede ser una alternativa más confiable en tales aplicaciones.

La Figura 7 muestra los resultados de la tarea de manipulación de burritos. El contacto se produce principalmente en los sensores distales, P1, y en menor medida, P2. En cuanto los primeros sensores hacen contacto, dejamos de aumentar la presión para evitar aplastar el burrito; por tanto, las señales de proximidad permanecen constantes. Los sensores de temperatura muestran una tendencia similar. La temperatura medida es de 38,6 °C, que se acerca a la temperatura del burrito, 39,1 °C.

a Las imágenes de izquierda a derecha muestran el dedo acercándose, contactando, amoldándose y soltándose de un burrito envuelto en papel de aluminio. Los gráficos (b, c) muestran las correspondientes lecturas de proximidad y temperatura. El contacto es principalmente en P1 y T1, con contacto parcial en P2 y T2. Después de que se detecta el contacto inicial, la presión se mantiene constante. La actuación y la detección robóticas se realizan simultáneamente. La secuencia se muestra en la película complementaria 3.

La combinación de detección de proximidad y temperatura es particularmente útil para el contacto suave entre robots y humanos, ya que permite al robot hacer un contacto suave y distinguir entre superficies vivas y no vivas o incluso verificar si hay una temperatura elevada. Como demostración, la Fig. 8 y la Película complementaria 4 presentan los resultados del contacto con la frente de una muñeca. La frente se calentó a una temperatura de 37,5 °C, medida con un termómetro de infrarrojos. En esta demostración, los sensores de contacto térmico estiman la temperatura en 36,8 °C (Fig. 8b). En esta demostración, se utilizan nuevamente sensores de proximidad para controlar el dedo y mantener una presión ligera constante de aproximadamente 1 kPa después de que se detecta el contacto inicial.

a Imágenes de un dedo suave acercándose y tocando suavemente la frente de una muñeca. Esquema de los contactos del sensor correspondientes a continuación. b, c Gráficos de las señales de proximidad y temperatura correspondientes (datos calibrados en el eje vertical derecho). La frente de la muñeca se calentó a una temperatura elevada de 37,5 °C, medida con un termómetro de infrarrojos. El contacto se produce principalmente en las ubicaciones de los sensores 1 y 2. La actuación y la detección robóticas se realizan simultáneamente. La secuencia se muestra en la película complementaria 4.

Utilizando una película de plástico metalizado modelada y cortada con un láser UV, es posible crear una red extensible de sensores a bajo costo. A diferencia de la mayoría de trabajos anteriores, el diseño utiliza un único paso de procesamiento para que las redes de sensores se creen en minutos.

El láser puede alcanzar trazas de 130 μm de ancho, separadas por espacios de 20 μm. Las pistas pueden diseñarse como elementos piezorresistivos, por ejemplo, para detección de temperatura o tensión, o como elementos capacitivos, por ejemplo, para detección de proximidad y contacto. Los cortes en la película de plástico permiten crear interconexiones expandibles en un patrón Kirigami de modo que una matriz en mosaico de sensores de 5 × 10 mm se expanda para cubrir un área de 140 × 330 mm en la superficie de un brazo o mano de robot blando. Una vez expandida, la red está incrustada en una piel de caucho de silicona estirable para protección. Cuando se montan sobre dedos neumáticos blandos, los sensores no se ven afectados por la flexión de los dedos.

Las aplicaciones motivadoras para la red de sensores incluyen la manipulación de alimentos y la interacción entre humanos y robots con dispositivos robóticos blandos. En ambos casos, la detección de proximidad es útil para mantener un contacto suave, mientras que los sensores de temperatura pueden distinguir entre alimentos fríos o calientes y entre una temperatura de la piel elevada o normal.

Las extensiones futuras incluyen tipos de sensores adicionales; por ejemplo, galgas extensométricas fabricadas in situ para detección propioceptiva y sensores de campo marginal que utilizan un dieléctrico microestructurado para detección combinada de proximidad y presión. La adición de una plataforma XY o rodillos de alimentación para la película permitiría al láser crear patrones y cortar áreas mucho más grandes. Por ejemplo, una matriz de 10 × 20 sensores e interconexiones, que inicialmente ocupan 155 × 200 mm en el estado no expandido, podría ampliarse para cubrir 520 × 1640 mm de la superficie de un brazo robótico blando.

La fabricación se realizó sobre una película de PET metalizada (espesor de 50 µm, de McMaster) con un espesor de aluminio de 0,05 µm.

Las muestras se cortaron en trozos de 50 × 50 mm², se limpiaron con IPA (alcohol isopropílico) y se secaron. Luego, la película se fijó temporalmente sobre un portaobjetos de vidrio con una gota de agua, lo que produce una tensión superficial entre la película y el portaobjetos de vidrio. La muestra preparada se coloca en el escenario de una máquina láser UV.

El mecanizado con láser UV se realizó utilizando un láser UV DPSS cuasi-CW (DPSS Lasers Inc., Serie 3500), con una potencia calibrada de 2,66 W en el escenario con una longitud de onda de 355 nm. La potencia máxima se varía cambiando la corriente de conducción, que se puede programar fácilmente a través del software personalizado. Es impulsado por el rayo láser de un diodo láser a un sistema de escaneo de haz galvanométrico incorporado.

La muestra se montó en la plataforma fija del traductor del eje Z para ajustar el punto focal de la muestra. Cada archivo de patrón para ablación de metal y corte de plástico se preparó individualmente. Los patrones de los electrodos del sensor y los cables Kirigami se diseñaron mediante un software de diseño asistido por computadora (Auto CAD, Abode). Los parámetros de potencia, velocidad de escaneo, paso de escaneo y frecuencia del rayo láser se establecieron mediante un software de marcado láser asistido por computadora (WinLaser) para cada patrón. En el software de marcado, la condición del rayo láser UV se configuró al 100% de potencia, 30 kHz, 7 pases de tiempo, 100 mm s-1 para cortar plástico de cables Kirigami y al 100%, 60 kHz, de un solo paso, 2000 mm s- 1 para ablación de metal a electrodos de patrón.

La red de sensores se fabricó en aproximadamente 3 min. La red de sensores estampada, estirable y flexible, se liberó del portaobjetos de vidrio aplicando más agua.

Después de la fabricación, se obtuvieron imágenes de microscopio óptico (Hitachi SU8020). La conductividad y la capacitancia del sensor y los cables se analizaron mediante un medidor LCR (E4980A Precision LCR Meter, Keysight Technologies) y un medidor de fuente de voltaje-corriente (Keithley 4200, Tektronix). La conexión eléctrica a cada cable se realizó mediante epoxi de plata conductora (CW2400, Chemtronics) y cables de puente delgados.

La temperatura se controlaba mediante un horno, mientras que la impedancia se medía con el medidor Keithley. La distancia entre un objeto que se acerca y el sensor está controlada por un traductor vertical motorizado. La capacidad de estiramiento del cable se mide utilizando el medidor LCR y un traductor horizontal motorizado (Instron 5565, Instron), que aumenta el alargamiento mientras mide la tensión en la muestra.

Para integrar la red de sensores en el dedo robótico blando, los sensores flexibles, pero no estirables, se colocaron en una parte comparativamente rígida de los dedos utilizando cinta de doble cara 3 M VHB. El último paso es incrustar la red expandida en una piel suave y elástica. Utilizamos PDMS (Sylgard 184) moldeado con un espesor de 58 μm para demostración. Se puede utilizar silicona de menor rigidez y más elástica, como Ecoflex 00-10, para aplicaciones que requieren más estiramiento.

Para leer múltiples sensores resistivos con una conversión de analógico a digital, se conectaron el cable de canal y el cable de tierra de cada sensor a los pines de un microcontrolador (Adafruit Industries, Arduino MEGA). Para señales capacitivas, se utilizó una placa de evaluación (Analog Devices, AD7147). La lectura del sensor resistivo se registró a 2 Hz y la lectura del sensor capacitivo a 25 kHz.

Después de verificar la lectura de impedancia, accionamos el dedo robótico suave, suministrando aire comprimido (hasta 11 psi) para el cierre y vacío para la extensión.

Todos los datos relevantes que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles a través de los autores previa solicitud razonable.

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Los autores agradecen a los miembros del Grupo de Investigación Zhenan Bao y BDML de la Universidad de Stanford. Este estudio fue apoyado por el Instituto de Innovación Colaborativa de Beijing (BICI). JH y AKH recibieron apoyo parcial de la Beca Samsung.

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Stanford, 450 Serra Mall, Stanford, CA, 94305, EE. UU.

Jooyeun Ham, Amy Kyungwon Han y Mark R. Cutkosky

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Seúl, 1 Gwanak-ro Gwanak-gu, Seúl, 08826, Corea

Amy Kyungwon Han

Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Stanford, 443 Via Ortega, Stanford, CA, 94305, EE. UU.

zhenan bao

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Conceptualización: JH, Metodología e Investigación: JH, Demostración: JH, AKH, Visualización: JH, Supervisión: MRC, ZB, Escritura—borrador original: JH, Escritura—revisión y edición: JH, AKH, MRC, ZB El trabajo fue realizado en la Universidad de Stanford.

Correspondencia a Zhenan Bao.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

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Reimpresiones y permisos

Ham, J., Han, AK, Cutkosky, MR et al. Red de sensores multimodales extensibles mecanizados con láser UV para una interacción suave del robot. npj Flex Electron 6, 94 (2022). https://doi.org/10.1038/s41528-022-00225-0

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Recibido: 13 de mayo de 2022

Aceptado: 01 de noviembre de 2022

Publicado: 18 de noviembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-022-00225-0

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