چاپ سه‌بعدی مواد هوشمند، نسل جدید حسگر‌های لمسی پوشیدنی را می‌سازد

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، حسگر‌های لمسی به طور گسترده در رباتیک، پروتزها، دستگاه‌های پوشیدنی و نظارت بر مراقبت‌های بهداشتی استفاده می‌شوند. این دستگاه‌ها محرک‌های خارجی مانند فشار و نیرو را تشخیص داده و به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند و تشخیص مؤثر محیط را تسهیل می‌کنند.

 

دانشمندان تلاش‌های گسترده‌ای برای بهبود عملکرد حسگر‌های لمسی از نظر دامنه حسگری و حساسیت انجام داده‌اند.

 

در این زمینه، متامواد مکانیکی بسیار امیدوارکننده هستند. به طور خاص، متامواد مکانیکی اکستیک (AMMs) - که دارای نسبت پواسون منفی هستند - انقباض درونی و تمرکز کرنش موضعی را پس از فشرده‌سازی امکان‌پذیر می‌کنند. این رفتار‌های غیرمنطقی، آنها را به گزینه‌های سودآوری برای طراحی حسگر‌ها و محرک‌ها با خواص عالی تبدیل می‌کند.

 

با این حال، فناوری AMM موجود از چالش‌های ساخت و ادغام رنج می‌برد.

 

برای پرداختن به این شکاف دانش، تیمی از محققان دانشگاه ملی علوم و فناوری سئول، به رهبری آقای مینگیو کانگ، نویسنده اول این مطالعه و دانشجوی کارشناسی ارشد در گروه طراحی مکانیک و مهندسی ربات، و از جمله دکتر سونجائه پیو، دانشیار گروه مهندسی طراحی سیستم‌های مکانیکی، یک پلتفرم حسگر لمسی سه‌بعدی جدید مبتنی بر AMM را بر اساس یک شبکه مکعبی با حفره‌های کروی پیشنهاد کرده‌اند که با استفاده از چاپ سه‌بعدی مبتنی بر پردازش نور دیجیتال ساخته شده است.

 

یافته‌های آنها در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است.

 

محققان پلتفرم حسگر لمسی را با استفاده از متامواد اکستیک چاپ سه‌بعدی در هر دو حالت حسگر خازنی و پیزومقاومتی بررسی کردند. در حالی که حسگر در حالت اول از طریق فاصله الکترود و مدولاسیون توزیع دی‌الکتریک به فشار پاسخ می‌دهد، حالت دوم از یک شبکه نانولوله‌های کربنی با پوشش همدیس استفاده می‌کند که مقاومت را تحت بار تغییر می‌دهد.

 

آقای کانگ گفت: «رفتار منحصر‌به‌فرد نسبت پواسون منفی که توسط فناوری ما به کار گرفته شده است، انقباض درونی را تحت فشار القا می‌کند، کرنش را در ناحیه حسگر متمرکز می‌کند و حساسیت را افزایش می‌دهد.

 

فراتر از این مکانیسم اساسی، طراحی آگزتیک ما عملکرد حسگر را در سه جنبه حیاتی تقویت می‌کند: افزایش حساسیت از طریق تمرکز کرنش موضعی، پایداری عملکرد استثنایی هنگام تعبیه در ساختار‌های محدود و به حداقل رساندن تداخل بین واحد‌های حسگر مجاور.

 

برخلاف ساختار‌های متخلخل مرسوم، این طراحی انبساط جانبی را به حداقل می‌رساند، قابلیت پوشیدن را بهبود می‌بخشد و تداخل را هنگام ادغام در دستگاه‌هایی مانند کفی‌های هوشمند یا گیره‌های رباتیک کاهش می‌دهد.

 

علاوه بر این، استفاده از چاپ سه‌بعدی مبتنی بر پردازش نور دیجیتال، برنامه‌ریزی ساختاری دقیق عملکرد حسگر را امکان‌پذیر می‌کند و امکان سفارشی‌سازی مبتنی بر هندسه را بدون تغییر ماده پایه فراهم می‌کند.

 

این تیم دو سناریوی اثبات مفهوم را به نمایش گذاشت که نوآوری کار آنها را برجسته می‌کند: یک آرایه لمسی برای نقشه‌برداری فشار فضایی و طبقه‌بندی اشیا، و همچنین یک سیستم کفی پوشیدنی با قابلیت نظارت بر الگوی راه رفتن و تشخیص نوع پروناسیون.

 

به گفته دکتر پیو، «پلتفرم حسگر پیشنهادی می‌تواند در کفی‌های هوشمند برای نظارت بر راه رفتن و تجزیه و تحلیل پرونیشن، دست‌های رباتیک برای دستکاری دقیق اشیاء و سیستم‌های نظارت بر سلامت پوشیدنی که نیاز به حس راحت بدون ایجاد اختلال در زندگی روزمره دارند، ادغام شود.

 

نکته مهم این است که ساختار آگزتیک حتی زمانی که در محفظه‌های سفت و سخت، مانند لایه‌های کفی کفش، محصور می‌شود، حساسیت و پایداری خود را حفظ می‌کند، جایی که شبکه‌های متخلخل معمولی معمولاً عملکرد خود را از دست می‌دهند.

 

مقیاس‌پذیری و سازگاری آن با حالت‌های مختلف انتقال، آن را برای سطوح نقشه‌برداری فشار، دستگاه‌های توانبخشی و رابط‌های تعامل انسان و ربات که نیاز به حساسیت بالا و استحکام مکانیکی دارند، مناسب می‌سازد.

 

در دهه آینده، حسگر‌های لمسی چاپ سه‌بعدی با ساختار اکستیک می‌توانند ستون فقرات نسل بعدی لوازم الکترونیکی پوشیدنی را تشکیل دهند و امکان نظارت مداوم و با دقت بالا بر حرکات، وضعیت بدن و معیار‌های سلامت انسان را فراهم کنند.

 

سازگاری ساختاری و استقلال مواد آنها می‌تواند منجر به ایجاد حسگر‌های سفارشی و کاربردی برای پزشکی شخصی، پروتز‌های پیشرفته و سیستم‌های بازخورد لمسی فراگیر شود.

 

با افزایش دسترسی به تولید افزایشی، رابط‌های لمسی سفارشی‌سازی‌شده‌ی انبوه با عملکرد قابل برنامه‌ریزی ممکن است در محصولات مصرفی، مراقبت‌های بهداشتی و رباتیک به استاندارد تبدیل شوند.