Une équipe de recherche de l'Université nationale de Singapour (NUS), dirigé par le professeur adjoint Chen Po-Yen, a fait le premier pas vers l'amélioration de la sécurité et de la précision des bras robotiques industriels en développant une nouvelle gamme de capteurs de contraintes en nanomatériaux 10 fois plus sensibles lors de la mesure de mouvements infimes, par rapport à la technologie existante.

Fabriqué à l'aide de flexible, extensible, et des nanomatériaux électriquement conducteurs appelés MXenes, ces nouveaux capteurs de contrainte développés par l'équipe NUS sont ultra-minces, sans batterie et peut transmettre des données sans fil. Avec ces propriétés souhaitables, les nouveaux capteurs de contrainte peuvent potentiellement être utilisés pour une large gamme d'applications.

Professeur adjoint Chen, qui est du département de génie chimique et biomoléculaire du NUS, expliqué, « Les performances des capteurs de contrainte conventionnels ont toujours été limitées par la nature des matériaux de détection utilisés, et les utilisateurs ont des options limitées pour personnaliser les capteurs pour des applications spécifiques. Dans ce travail, nous avons développé une stratégie facile pour contrôler les textures de surface de MXenes, et cela nous a permis de contrôler les performances de détection des capteurs de contrainte pour divers exosquelettes mous. Les principes de conception des capteurs développés dans ce travail amélioreront considérablement les performances des peaux électroniques et des robots mous. »

Fabrication de précision

Un domaine où les nouveaux capteurs de contrainte pourraient être mis à profit est la fabrication de précision, où des bras robotiques sont utilisés pour effectuer des tâches complexes, comme la fabrication de produits fragiles comme les puces électroniques.

Ces capteurs de contrainte développés par les chercheurs de NUS peuvent être appliqués sur un bras robotique comme une peau électronique pour mesurer les mouvements subtils lorsqu'ils sont étirés. Lorsqu'il est placé le long des articulations des bras robotiques, ces capteurs de contrainte permettent au système de comprendre précisément à quel point les bras robotiques se déplacent et leur position actuelle par rapport à l'état de repos. Les capteurs de contrainte actuels du commerce n'ont pas la précision et la sensibilité requises pour exécuter cette fonction.

Les bras robotiques automatisés conventionnels utilisés dans la fabrication de précision nécessitent des caméras externes qui les visent sous différents angles pour aider à suivre leur positionnement et leur mouvement. Les capteurs de contrainte ultra-sensibles développés par l'équipe NUS contribueront à améliorer la sécurité globale des bras robotiques en fournissant un retour automatisé sur des mouvements précis avec une marge d'erreur inférieure à un degré, et supprimez le besoin de caméras externes car elles peuvent suivre le positionnement et le mouvement sans aucune entrée visuelle.

"C'est un grand plaisir pour Realtek Singapore de travailler avec le professeur assistant Chen Po-Yen et son équipe à NUS pour le développement de modules de capteurs sans fil applicables aux robots mous et aux bras robotiques industriels. Nos capteurs sans fil co-développés avec des performances de détection désignées par le client permettre aux robots d'effectuer des mouvements de haute précision, et les données de détection de rétroaction peuvent être transmises sans fil, qui s'inscrivent dans les approches de Realtek Singapore dans l'usine intelligente sans fil. Realtek continuera à établir une solide collaboration avec NUS et nous sommes impatients de mettre les technologies du laboratoire sur le marché, " a déclaré le Dr Yeh Po-Leh, Président de Realtek Singapour.

Personnalisable, capteurs ultra-sensibles

La percée technologique est le développement d'un processus de production qui permet aux chercheurs de NUS de créer des capteurs ultra-sensibles hautement personnalisables sur une large fenêtre de travail avec des rapports signal/bruit élevés.

La fenêtre de travail d'un capteur détermine combien il peut s'étirer tout en conservant ses qualités de détection et un rapport signal/bruit élevé signifie une plus grande précision car le capteur peut différencier les vibrations subtiles des mouvements infimes du bras robotique.

Ce processus de production permet à l'équipe de personnaliser ses capteurs à n'importe quelle fenêtre de travail entre 0 et 900 %, tout en maintenant une sensibilité et un rapport signal/bruit élevés. Les capteurs standard peuvent généralement atteindre une plage allant jusqu'à 100 %. En combinant plusieurs capteurs avec différentes fenêtres de travail, Les chercheurs du NUS peuvent créer un seul capteur ultra-sensible qui serait autrement impossible à réaliser.

L'équipe de recherche a mis deux ans pour développer cette percée et a depuis publié ses travaux dans la revue scientifique ACS Nano en septembre 2020. Ils disposent également d'un prototype fonctionnel de l'application d'exosquelettes souples dans un gant de rééducation robotique souple.

"Ces capteurs flexibles avancés donnent à nos robots portables souples une capacité importante pour détecter les performances motrices du patient, notamment en termes d'amplitude de mouvement. Cela permettra à terme au robot doux de mieux appréhender les capacités du patient et d'apporter l'assistance nécessaire aux mouvements de sa main, " a déclaré le professeur agrégé Raye Yeow, qui dirige un laboratoire de robotique douce au département de génie biomédical du NUS, et dirige le programme de robotique douce et hybride dans le cadre du bureau du programme national de R&D en robotique.

Chirurgie robotique

L'équipe cherche également à améliorer les capacités du capteur et à travailler avec l'hôpital général de Singapour pour explorer l'application dans les robots exosquelettes souples pour la rééducation et dans les robots chirurgicaux pour la chirurgie robotique transorale.

« En tant que chirurgien, nous comptons non seulement sur notre vue mais aussi sur notre sens du toucher pour sentir la zone à l'intérieur du corps où nous opérons. Tissus cancéreux, par exemple, se sentir différent de la normale, tissu sain. En ajoutant des modules de détection sans fil ultra-minces à de longs outils robotiques, nous pouvons atteindre et opérer dans des zones où nos mains ne peuvent pas atteindre et potentiellement "sentir" la raideur des tissus sans avoir besoin d'une chirurgie ouverte, " a déclaré le Dr Lim Chwee Ming, Consultant senior, Otorhinolaryngologie-Chirurgie de la tête et du cou, Hôpital général de Singapour.