Nieuwe printmethode voor kunstmatige "huid" met warmtesensoren

Onze wereld zit vol robots. Van robotische stofzuigers tot robots om honden uit te laten: we hebben robots in veel aspecten van ons dagelijks leven geïntegreerd. In de industrie hebben robots bijgedragen tot de automatisering van veel taken, die ze uitvoeren met een nauwkeurigheid en snelheid die de menselijke vermogens te boven gaan.

Dat betekent echter niet dat mens en robot in de industrie niet nauw samenwerken. "Veel industriële processen vragen om nauwe samenwerking tussen mens en robot", zegt onderzoeker Marco Fattori van de faculteit Electrical Engineering en de TU/e-startup MicroAlign. "Dat betekent dat de robots nauwkeurige nabijheidssensoren nodig hebben om te controleren of iemand te dicht bij de robot komt. Zodra hij iemand detecteert, schakelt de robot uit om te voorkomen dat de persoon gewond raakt."

Veel van de huidige sensoren zijn gebaseerd op siliciumcomponenten, maar deze zijn stijf en dik. Dit maakt het moeilijk en duur om ze op de buitenkant van een robot te plaatsen.

Nieuwe flexibele geprinte elektronica

"Het alternatief is flexibele geprinte elektronica, maar dit soort elektronica heeft minder mogelijkheden in vergelijking met siliciumchips", merkt Eugenio Cantatore van de faculteit Electrical Engineering op. "Flexibele elektronica is traag en lawaaierig, wat de nauwkeurigheid negatief beïnvloedt. Maar in tegenstelling tot siliciumsensoren kunnen de flexibele exemplaren over grote oppervlakken worden geplaatst, zijn ze goedkoop te maken en kunnen ze in grote hoeveelheden worden geproduceerd."

Om het probleem van het maken van nauwkeurige en flexibele elektronica op te lossen, hebben Fattori en Cantatore, in samenwerking met onderzoekers in Frankrijk, Oostenrijk en het VK, nieuwe flexibele elektronica ontwikkeld. Hiervoor printen ze organische materialen op basis van polymeren. De printmethode maakt het mogelijk om in elke pixel van de constructie front-end elektronica (de eerste elektronica-laag na de sensor) te plaatsen.

"In feite hebben we elektronica op een vel plastic of folie geprint, waarna we de sensoren op een andere folie hebben geplaatst. Daarna hebben we de twee folies aan elkaar gelamineerd, resulterend in een ultraflexibele en dunne sensor", zegt Fattori. "Deze combinatie verbetert de signaalkwaliteit in vergelijking met eerdere sensoren."

De robotarm

Voor deze studie plaatsten de onderzoekers infrarode organische pyro-elektrische sensoren (warmtesensoren) met lange golflengte in de flexibele folie. "We creëerden een groot flexibel vel folie vol met warmtesensoren. Hiermee is het mogelijk een structuur te bedekken, zoals bijvoorbeeld een robotarm", zegt Cantatare.

En dat is precies wat de onderzoekers deden. Zij wikkelden een flexibel vel met warmtesensoren rond een robotarm om een industriële werkomgeving te simuleren waarin een mens vlakbij een robot werkt.

"De flexibele sensor fungeert als een soort 'kunsthuid' voor de robot. Met de warmtesensoren kan de robot de aanwezigheid van een beweegbare warmtebron, zoals een persoon, detecteren op een afstand tot 0,4 meter afstand", legt Fattori uit. "Bovendien kunnen de sensoren ook een menselijke hand detecteren die vanuit verschillende richtingen nadert en niet alleen van recht voor zich."  

Veelbelovend

Naast toepassingen in de industrie met robots, constateren de onderzoekers op dat de mogelijkheid om betaalbare flexibele sensoren te produceren nuttig zou kunnen zijn op tal van andere gebieden, zoals in de gezondheidszorg.

De sensoren zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om de drukverdeling op een matras in kaart te brengen, en zo patiënten kunnen helpen om doorligwonden te voorkomen. Daarnaast zouden ze kunnen worden gebruikt om te controleren of ouderen thuis of in verzorgingstehuizen vallen, door sensoren in de vloeren aan te brengen. Dit soort sensoren zou zelfs kunnen worden afgestemd om de integriteit van vliegtuigvleugels te controleren.

Dit onderzoek maakt deel uit van een complex Europees samenwerkingsproject met de naam ATLASS. "Na jaren werk hebben we voor het eerst, met een praktisch en bruikbaar voorbeeld, aangetoond, hoe veelbelovend goedkope geprinte detectieoppervlakken met geïntegreerde electronica zijn", zegt Cantatore. "We kijken er naar uit om deze resultaten te gebruiken om nieuwe onderzoeken aan de TU/e te starten."

Informatie over het artikel

A printed proximity-sensing surface based on organic pyroelectric sensors and organic thin-film transistor electronics, Fattori et al., Nature Electronics (2022).