Alors que nous entrons dans un monde où les interactions homme-machine deviennent de plus en plus importantes, les capteurs de pression capables d’analyser et de simuler le toucher humain sont susceptibles de croître en demande.
L’un des défis auxquels sont confrontés les ingénieurs est la difficulté de fabriquer le type de capteur rentable et hautement sensible nécessaire pour des applications telles que la détection d’impulsions subtiles, l’utilisation de membres robotiques et la création d’échelles à ultra-haute résolution. Cependant, une équipe de chercheurs a développé un capteur capable d’effectuer toutes ces tâches.
Les chercheurs, de Penn State et de l’Université de technologie de Hebei en Chine, souhaitaient créer un capteur extrêmement sensible et linéaire de manière fiable sur une large gamme d’applications, doté d’une résolution à haute pression et capable de fonctionner sous de fortes précharges de pression.
« Le capteur peut détecter une pression minuscule lorsqu’une pression importante est déjà appliquée », a déclaré Huanyu « Larry » Cheng, James L. Henderson Jr. Memorial Associate Professor of Engineering Science and Mechanics à Penn State et co-auteur d’un article sur le travail publié dans Nature Communication. « Une analogie que j’aime utiliser est que c’est comme détecter une mouche au-dessus d’un éléphant. Il peut mesurer le moindre changement de pression, tout comme notre peau le fait avec le toucher. »
Cheng a été inspiré pour développer ces capteurs en raison d’une expérience très personnelle : la naissance de sa deuxième fille.
La fille de Cheng a perdu 10% de son poids corporel peu de temps après sa naissance, alors le médecin lui a demandé de peser le bébé tous les deux jours pour surveiller toute perte ou gain de poids supplémentaire. Cheng a essayé de le faire en se pesant sur une balance domestique ordinaire, puis en se pesant en tenant sa fille pour mesurer le poids du bébé.
« J’ai remarqué que lorsque je mettais ma fille dans sa couverture, quand je ne la tenais plus, vous ne voyiez pas le changement de poids », a déclaré Cheng. « Nous avons donc appris qu’essayer d’utiliser une balance commerciale ne fonctionnait pas, elle ne détectait pas le changement de pression. »
Après avoir essayé de nombreuses approches différentes, ils ont découvert que l’utilisation d’un capteur de pression composé de structures micropyramidales à gradient et d’une couche ionique ultrafine pour donner une réponse capacitive était la plus prometteuse.
Cependant, ils étaient confrontés à un problème persistant. La sensibilité élevée des microstructures diminuait à mesure que la pression augmentait, et les microstructures aléatoires qui étaient modélisées à partir d’objets naturels entraînaient une déformation incontrôlable et une plage linéaire étroite. En termes simples, lorsqu’une pression était appliquée sur le capteur, cela modifiait la forme du capteur et donc altérait la zone de contact entre les microstructures et perturbait les lectures.
Pour relever ces défis, les scientifiques ont conçu des modèles de microstructure qui pourraient augmenter la plage linéaire sans diminuer la sensibilité – ils l’ont essentiellement rendue flexible, afin qu’elle puisse toujours fonctionner dans le gradient des pressions qui existent dans le monde réel. Leur étude a exploré l’utilisation d’un laser CO2 avec un faisceau gaussien pour fabriquer des structures programmables telles que des microstructures pyramidales à gradient (GPM) pour les capteurs iontroniques, qui sont de l’électronique douce qui peut imiter les fonctions de perception de la peau humaine. Ce processus réduit le coût et la complexité du processus par rapport à la photolithographie, la méthode couramment utilisée pour préparer des motifs de microstructure délicats pour les capteurs.
« Je pense qu’à l’avenir, il est possible d’améliorer encore le modèle et de pouvoir prendre en compte des systèmes plus complexes, puis nous pourrons certainement comprendre comment fabriquer des capteurs encore meilleurs. »
Huanyu « Larry » Cheng, professeur associé James L. Henderson Jr. Memorial de sciences de l’ingénieur et de mécanique, Penn State
Cheng attribue à Ruoxi Yang, étudiant diplômé de son laboratoire et premier auteur de l’étude, le moteur de cette solution.
« Yang est un étudiant très intelligent qui a introduit l’idée de résoudre ce problème de capteur, qui est vraiment quelque chose comme une combinaison de plusieurs petites pièces, intelligemment conçues ensemble », a déclaré Cheng. « Nous savons que la structure doit être à l’échelle microscopique et doit avoir une conception délicate. Mais il est difficile de concevoir ou d’optimiser la structure, et elle a travaillé avec le système laser que nous avons dans notre laboratoire pour rendre cela possible. Elle a travaillé très dur dans ces dernières années et j’ai pu explorer tous ces différents paramètres et être en mesure de passer rapidement au crible dans cet espace de paramètres pour trouver et améliorer les performances. »
Ce capteur optimisé avait des temps de réponse et de récupération rapides et une excellente répétabilité, que l’équipe a testée en détectant des impulsions subtiles, en utilisant des mains robotiques interactives et en créant des balances et des chaises intelligentes à ultra haute résolution. Les scientifiques ont également découvert que les approches de fabrication proposées et la boîte à outils de conception de ce travail pourraient être exploitées pour régler facilement les performances du capteur de pression pour diverses applications cibles et ouvrir des opportunités pour créer d’autres capteurs iontroniques, la gamme de capteurs qui utilisent des liquides ioniques tels qu’un ultra-mince couche ionique. En plus de permettre une future balance où il serait plus facile pour les parents de peser leur bébé, ces capteurs auraient également d’autres utilisations.
« Nous avons également pu détecter non seulement le pouls du poignet, mais également des autres structures vasculaires distales comme le sourcil et le bout des doigts », a déclaré Cheng. « De plus, nous combinons cela avec le système de contrôle pour montrer qu’il est possible de l’utiliser pour l’avenir de la collaboration interactionnelle robotique humaine. d’un système pour les aider à contrôler un membre robotique. »
Cheng a noté d’autres utilisations potentielles, telles que des capteurs pour mesurer le pouls d’une personne lors de situations de travail très stressantes telles que la recherche et le sauvetage après un tremblement de terre ou l’exécution de tâches difficiles et dangereuses sur un chantier de construction.
L’équipe de recherche a utilisé des simulations informatiques et la conception assistée par ordinateur pour les aider à explorer des idées pour ces nouveaux capteurs, ce qui, selon Cheng, est un travail difficile compte tenu de toutes les solutions de capteurs possibles. Cette assistance électronique continuera à faire avancer la recherche.
« Je pense qu’à l’avenir, il est possible d’améliorer encore le modèle et de pouvoir prendre en compte des systèmes plus complexes, puis nous pourrons certainement comprendre comment fabriquer des capteurs encore meilleurs », a déclaré Cheng.
Outre Cheng et Yang, les autres auteurs de l’étude de Penn State incluent Ankan Dutta, Bowen Li, Naveen Tiwari, Wanqing Zhang, Zhenyuan Niu, Yuyan Gao, Daniel Erdely et Xin Xin, et Tiejun Li de l’Université du Hebei.
