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改善机器手臂精准与安全 NUS开发应变传感器

轻量的应变传感器可集成应用于复健手套以提升灵敏性与效能表现。新加坡国立大学

新加坡国立大学(NUS)研究人员采用柔韧、可延展、可导电纳米材料MXenes开发的应变传感器(strain sensor),量测物体细微移动的灵敏度是现有技术的10倍,并具备超薄、免用电池、无线传输能力等特性,在许多应用上能发挥极大效益。

根据Electronics360报导,NSU生物医学工程系副教授与软性机器人实验室负责人Raye Yeow指出,先进的柔韧、可延展、软性应变传感器,让软性的穿戴式机器人能传感病患的运动范围等肌肉活动能力表现,透过更正确掌握病患的实际能力,最终可适时提供必要的手部活动辅助。

NUS助理教授Chen Po-Yen表示,目前传感材料的特性限制了传统应变传感器的效能表现,仅能提供使用者少数的客制化选项,难以满足特定应用的需求。而NUS运用新的纳米材料开发的应变传感器能分辨细微的震动与移动,因此具高讯噪比(signal-to-noise ratio)能提升精确度,应用于工业机器手臂可望改善操作的精准性与安全性。

NUS能控制MXenes的表面质地,因此可调控应变传感器应用于各种软性外骨骼(exoskeleton)的效能表现。微芯片制造等精准制造应用是非常适合应变传感器发挥所长的领域之一,以往精准制造采用的传统机器手臂,需倚赖外部摄影机监测手臂移动与定位,而NUS开发的应变传感器无需任何视觉输入,即可提供精准移动数据的自动回馈且误差范围在1度以内。

NUS制定的应变传感器设计原则能大幅强化应用于电子皮肤与软性机器人的效能表现,NUS开发的应变传感器包覆于机器手臂表面可在伸展时量测手臂的细微动作,配置于手臂关节则能让系统精确掌握机器手臂移动的距离与目前相对于静止状态时的位置,例如NUS的应变传感器集成应用于复健手套可提升操作的灵敏性与效能表现。

NUS研究人员结合工作范围各异的多重传感器,以创建单一超灵敏传感器,并制作出能实际运行的软性外骨骼应用原型:软性机器人复健手套。此外标准传感器的工作范围可达100%,而突破性的工艺则让NUS开发的应变传感器延展范围达到0%~900%,且仍能维持其传感质量与高讯噪比,因此可客制化以支持各种工作范围的应用。

将超薄的无线传感模块配置于长型机器人工具,让医师可在双手无法触及的人体内部进行诊断与手术而无需诉诸开放手术,因此NUS研究团队也跟新加坡综合医院(Singapore General Hospital)合作强化应变传感器的功能,并探索在复健用的软性外骨骼与经口机器手臂手术(transoral robotic surgery;TORS)等手术机器人的应用。

NSU开发应变传感器历时2年,研究果发表于2020年9月的ACS Nano科学期刊。

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