Images au microscope électronique à balayage des LED nanopiliers de forme elliptique. Les deux images de gauche montrent les images haute résolution des deux LED constituées de nanopiliers orientés orthogonalement. L'image de droite montre une partie d'un réseau de nanopiliers, chacun contenant 12 500 nanopiliers. Crédit :Université du Michigan
Alors que les appareils robotiques tels que les prothèses artificielles et les interfaces homme-ordinateur sont de plus en plus intégrés dans la société, les chercheurs se sont penchés plus profondément sur la sensibilité des appareils qui remplissent la même fonction que les mains. Le bout des doigts humains est remarquablement sensible. Ils peuvent communiquer les détails d'un objet aussi petit que 40 μm (environ la moitié de la largeur d'un cheveu humain), discerner des différences subtiles dans les textures de surface et appliquer juste assez de force pour soulever un œuf ou un sac de nourriture pour chien de 20 lb sans glissement. Ils peuvent également manipuler des objets avec une relative facilité.
Les ingénieurs ont travaillé pour imiter cette capacité pour d'éventuelles utilisations robotiques ou prothétiques avec des niveaux de succès variables. À l'Université du Michigan, le professeur P.C. Ku et son groupe ont récemment rapporté une méthode améliorée de détection tactile qui détecte la directionnalité ainsi que la force avec un niveau de sensibilité élevé. La haute résolution du système le rend particulièrement adapté aux applications robotiques et HCI. Il est également relativement simple à fabriquer.
"Nous comblons le fossé entre les humains et les ordinateurs, alors peut-être pourrions-nous apprendre à un robot à ressentir les objets d'une manière qui serait plus proche de nos propres capacités", a déclaré le doctorant Nathan Dvořák.
Dvořák est membre d'une équipe dirigée par le professeur P.C. Ku qui développe des capteurs tactiles depuis plusieurs années. Ils sont les premiers à intégrer un sens du toucher très sensible ainsi que la directionnalité à l'aide de nanopiliers asymétriques. Ainsi, un dispositif prothétique est capable de saisir plus étroitement un objet qui tombe, ou une interface homme-ordinateur peut différencier un mouvement de montée d'un mouvement de chute.
Capteur unique constitué de nanopiliers de 1,6 M, disposés en 64 nœuds constitués de paires de réseaux placés à angle droit les uns par rapport aux autres. Crédit :Université du Michigan
Comme preuve de concept, l'équipe a construit un capteur, à peu près de la taille d'un doigt, qui contient 1,6 million de nanopiliers de nitrure de gallium (GaN). Le GaN a été utilisé en raison de sa capacité à mesurer la force grâce à sa propriété piézoélectrique innée, c'est-à-dire sa capacité à générer une charge électrique lorsqu'il est sollicité.
La forme elliptique et la disposition des nanopiliers sont essentielles à sa capacité à détecter la directionnalité.
La plus petite unité est le nanopilier. Chaque nanopilier a une forme elliptique et mesure 450 nm de haut, soit environ 1 000 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain. Et chaque nanopilier est équipé de sa propre LED.
Les nanopiliers sont regroupés en réseaux individuels en forme de rectangle, 100 x 150 nanopiliers ou 12 500 nanopiliers par réseau. Chaque réseau est alors regroupé à proximité immédiate d'un second réseau perpendiculaire à celui-ci. Cette disposition est la clé de sa capacité à détecter la direction. Les deux tableaux orthogonaux sont appelés un nœud.
Dessin conceptuel du capteur tactile en action. La pression appliquée aux nanopiliers réduit la lumière émise par les LED. Crédit :Université du Michigan
Un capteur complet se compose de 64 nœuds en forme de carré.
Lorsqu'une force est appliquée aux nanopiliers, elle modifie l'intensité lumineuse émise par les nanopiliers, comme le montre la vidéo.
Étant donné que le capteur est capable de déterminer la direction de la force, il peut alors alerter une future prothèse si un objet peut tomber entre ses mains, nécessitant une prise plus serrée.
Le système ne nécessite pas d'interconnexions électriques complexes, qui nécessitent une très grande uniformité de fabrication. Il utilise également des méthodes de fabrication bien connues qui sont facilement reproductibles.
"Et nous n'avons pas besoin d'avoir un rendement de 100 % sur nos appareils, ni même de fermer", a déclaré Dvořák. "Sur l'un de mes appareils actuels, il y a 1,6 million de nanopiliers sur le capteur, et il est toujours efficace même si 25 % des nanopiliers d'un réseau sont endommagés pendant la fabrication, car nous détectons le changement d'intensité lumineuse plutôt que l'absolu. intensité lumineuse."
Le capteur était capable de discerner des objets mesurant à peine 4,3 μm, ce qui le rendait presque 10 fois plus sensible que celui d'un doigt humain. Et il pourrait détecter le poids d'un objet similaire à un trombone, soit environ 0,1 gramme.
La preuve de concept actuelle utilise un imageur standard pour détecter le changement de lumière qui se produit lorsque la surface est touchée.
"Nous travaillons actuellement au développement d'un système complet", a déclaré Dvořák. Après avoir fait fonctionner le système actuel à l'électricité, il montera le capteur sur un imageur CMOS qui enregistrera les changements d'intensité lumineuse et le connectera à un microprocesseur pour le traitement automatisé de l'information.
La recherche est décrite dans « Ultrathin Tactile Sensors with Directional Sensitivity and a High Spatial Resolution », publié dans Nano Letters . Les ailes d'insectes contiennent des indices antimicrobiens pour améliorer les implants médicaux
