Sensores de tensión ultra-delgados MXene revolucionarios mejoran precisión y seguridad de brazos robóticos

Un equipo de investigación de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) ha dado un primer paso hacia mejorar la seguridad y precisión de brazos robóticos industriales desarrollando un nuevo rango de sensores de tensión de nanomateriales que son 10 veces más sensibles al medir movimientos minúsculos, comparados con tecnología existente.

Fabricados usando nanomateriales flexibles, estirables y eléctricamente conductivos llamados MXenes, estos sensores de tensión novedosos son ultra-delgados, sin batería, y pueden transmitir datos inalámbricamente. Con estas propiedades deseables, los sensores de tensión novedosos pueden potencialmente usarse para una amplia gama de aplicaciones.

El Profesor Asistente Chen Po-Yen explicó, "El rendimiento de sensores de tensión convencionales siempre ha sido limitado por la naturaleza de los materiales de sensado, así que los usuarios han tenido opciones limitadas para personalizar sensores para aplicaciones específicas. En este trabajo, hemos desarrollado una estrategia fácil para controlar las texturas de superficie de MXenes, lo que nos ha permitido controlar el rendimiento de sensado de sensores de tensión para varios exoesqueletos suaves. Los principios de diseño de sensores desarrollados en este trabajo mejorarán significativamente el rendimiento de pieles electrónicas y robots suaves."

Un área donde los sensores de tensión novedosos podrían ponerse en buen uso es en manufactura de precisión, donde brazos robóticos se usan para llevar a cabo tareas intrincadas, como fabricar productos frágiles como microchips. Los sensores pueden recubrirse en un brazo robótico como una piel electrónica para medir movimientos sutiles mientras se estiran. Cuando se colocan a lo largo de las articulaciones de los brazos, los sensores de tensión permiten al sistema entender con precisión cuánto se están moviendo los brazos robóticos y su posición actual relativa a su estado de reposo. Los sensores de tensión comerciales actuales no tienen la precisión y sensibilidad requeridas para llevar a cabo esta función.

Los brazos robóticos automatizados convencionales usados en manufactura de precisión requieren cámaras externas apuntándoles desde diferentes ángulos para ayudar a rastrear su posicionamiento y movimiento. Estos sensores de tensión ultra-sensibles ayudarán a mejorar la seguridad general de brazos robóticos al proporcionar retroalimentación automática sobre movimientos precisos con un margen de error por debajo de un grado. Eso eliminará la necesidad de cámaras externas, ya que pueden rastrear posicionamiento y movimiento sin ninguna entrada visual.

El avance tecnológico es el desarrollo de un proceso de producción que ha permitido a los investigadores crear sensores ultra-sensibles altamente personalizables sobre una amplia ventana de trabajo con altas relaciones señal-ruido.

La ventana de trabajo de un sensor determina cuánto puede estirarse mientras mantiene sus cualidades de sensado. Además, tener una alta relación señal-ruido significa mayor precisión, lo que permite al sensor diferenciar entre vibraciones sutiles y movimientos minúsculos del brazo robótico.

Este proceso de producción permite al equipo personalizar sus sensores a cualquier ventana de trabajo entre 0 y 900 por ciento, manteniendo alta sensibilidad y alta relación señal-ruido. Sensores estándar típicamente solo logran un rango de hasta 100 por ciento. Al combinar múltiples sensores con diferentes ventanas de trabajo, los investigadores pueden crear un solo sensor ultra-sensible que de otra manera sería imposible de lograr.

El equipo de investigación desarrolló un prototipo funcional de la aplicación de sensores para exoesqueletos suaves en un guante de rehabilitación robótica suave. Los sensores imparten la capacidad de detectar el rendimiento motor de un paciente, particularmente en términos de su rango de movimiento. Esto finalmente permitirá al robot suave entender mejor la capacidad del paciente y proporcionar la asistencia necesaria a sus movimientos de mano.

El equipo está actualmente trabajando con el Hospital General de Singapur para explorar su aplicación en robots exoesqueleto suaves para rehabilitación y en robots quirúrgicos para cirugía robótica transoral. "Como cirujano, confiamos no solo en nuestra vista, sino también en nuestro sentido del tacto, para sentir el área dentro del cuerpo en la que estamos operando. Los tejidos cancerosos, por ejemplo, se sienten diferentes de tejidos normales y saludables. Al agregar módulos de sensado inalámbricos ultra-delgados a herramientas robóticas largas, podemos alcanzar y operar en áreas donde nuestras manos no pueden llegar y potencialmente 'sentir' la rigidez del tejido sin necesidad de cirugía abierta", dijo el Dr. Lim Chwee Ming del Hospital General de Singapur.