Ein ultra-dehnbarer triboelektrischer Streifensensor (TSS) zur Kontrolle von Objekten im 3-D-Raum

Quelle: Chen et al.

Nanogeneratoren, technologische Werkzeuge, die mechanische oder thermische Energie in Elektrizität umwandeln können, gibt es in drei Hauptausführungen: piezoelektrisch, triboelektrisch und pyroelektrisch. Während piezoelektrische und triboelektrische Nanogeneratoren mechanische Energie in Elektrizität umwandeln können, arbeiten pyroelektrische, indem sie thermische Energie gewinnen.

In den letzten Jahren wurden triboelektrische Nanogeneratoren sowohl für Energy Harvesting- als auch für Sensoranwendungen immer beliebter. Ihre Leistung bei der mehrdimensionalen Informationswahrnehmung und interaktiven Kontrollaufgaben war jedoch bisher eher enttäuschend.

Forscher der National University of Singapore haben kürzlich Sensoren zur Steuerung von Objekten im 3D-Raum entwickelt, die auf triboelektrischen Nanogeneratoren basieren. Diese Sensoren, vorgestellt in einem in Nanoenergie, bestehen aus einer parallelen Struktur mit drei symmetrischen Sensorleisten, die auf ihrem Sockel befestigt sind und einer daran angeschlossenen mobilen Bühne.

„Mit der Entwicklung der Wissenschaft sind Automatisierungs- und Robotiktechnologien in viele Aspekte menschlicher Aktivitäten vorgedrungen“, sagte Tao Chen, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber TechXplore. „Roboter sind nicht nur in automatischen Produktionslinien und Unterhaltungsbereichen weit verbreitet, sondern können auch in der Medizin, in der Luft- und Raumfahrt und im Militär sowie in vielen anderen Anwendungen eingesetzt werden. Es gibt jedoch unzugängliche, unvorhersehbare gefährliche oder unvermeidbare Herausforderungen für den Menschen, um zu interagieren oder komplexe Aufgaben auszuführen Aufgaben in Umgebungen, in denen Geräte im Vakuum, unter Wasser, im Weltraum und im Nanometerbereich usw.

Um eine effektive Interaktion zwischen Mensch und automatisierten Systemen zu ermöglichen, haben Forscher Bedienterminals entwickelt, die auf vielfältige Weise bedient werden können, wie zum Beispiel Touchscreens, Tastaturen oder Wippstrukturen. In den meisten Fällen sind diese Kontrollmechanismen indirekt, erfordern also komplexe Befehlsanalysen und Berechnungen, um dem Bewegungszustand des zu manipulierenden Objekts zu entsprechen.

“In diesem Artikel stellen wir einen ultra-dehnbaren triboelektrischen Streifensensor (TSS) zur Kontrolle der Lage des Objekts im Raum vor”, erklärte Chen. „Unser TSS könnte die Leistung von Robotern in einer Vielzahl von Umgebungen verbessern, einschließlich Unterwasser, Weltraum und mehr.“

Chen und seine Kollegen verwendeten in ihrer Studie einen ultradehnbaren tribolelektrischen Streifen als räumlichen Sensor, der es Robotern letztendlich ermöglicht, Objekte im 3D-Raum zu steuern. Aufgrund der Kopplungswirkung von Triboelektrifizierung und elektrostatischer Induktion ändert sich die Länge des Streifens, wobei der gleiche Fingerkontaktpunkt unterschiedliche Signalausgangsverhältnisse von zwei Anschlusselektroden (E1 und E2) erzeugt. Diese Elektroden fungieren als interaktive Schnittstelle für mehrdimensionale Erfassung und Steuerung.

“Ein Ende der E1-Elektrode des Streifens ist fixiert, während die Elektrode E2 unter Zugspannung in Bezug auf E1 beweglich ist”, sagte Chen. “Das Ausgangsspannungsverhältnis der beiden Elektroden (VE2/VE1) ergibt sich beim Kontakt und Trennen von Finger und Silikongummi mit konstantem Abstand zu E1. Außerdem wird das Band um eine bestimmte Länge gestreckt, die Abnahme des Spannungsverhältnisses wird bestimmt da wir dieselbe Position (Referenzpunkt) in konstantem Abstand zur E1-Elektrode erneut berühren.”

Mit zunehmender Strecklänge des Bandes nimmt dieses Spannungsverhältnis ab. Der von Chen und seinen Kollegen verwendete Mechanismus ermöglichte es ihnen, die verlängerte Länge der E2-Seite des Streifens zu messen, indem sie den Referenzpunkt berührten, der von E1 aus festgelegt wurde. Mit anderen Worten, die Verschiebung ihres Streifens während des Streckens, seine Streckgeschwindigkeit und die Beschleunigung der E2-Elektrode können alle mit einer konstanten Kontaktfrequenz gemessen werden.

“Das hier verwendete Prinzip der Sensorerkennung besteht hauptsächlich darin, die Länge durch Vergleich des Spannungsverhältnisses zwischen den beiden Elektroden zu bestimmen”, sagte Chen. “Dementsprechend vermeidet der Erkennungsmechanismus, der die Spannungsverhältnismethode verwendet, den Einfluss von Umgebungsfeuchtigkeit und ungleichmäßiger Kraft. Dies ist also eine effektive Erkennungsmethode, um Instabilität und Interferenzen zu vermeiden.”

Chen und seine Kollegen führten eine neue Objekterkennungsmethode ein, die auf einem Längsbewegungssensor basiert, der erzeugte Spannungsverhältnisse verwendet. In ihrer Studie verwendeten sie drei energieautarke flexible Sensoren, um eine 5D-Positionierungsprojektion im Raum zu erreichen. Ihre Methode ist einfacher und intuitiver als die zugrunde liegenden traditionellen starren (nicht dehnbaren) Strukturen, fügt jedoch auch Raumdimensionen hinzu.

“Derzeit ist die Bedienung der Nanoskala mit dem Griff- oder Tastenmodus nicht intuitiv”, sagte Chen. „Unser Ansatz kann für Mensch-Maschine-Interaktionen im Nanomaßstab flexibler und intuitiver sein.“

In einer vorläufigen Demonstration verwendeten die Forscher ihr TSS-Gerät als Mensch-Nano-Maschine-Terminal, um ihren Nanomanipulator in einer Rasterelektronenmikroskopie (REM) zu steuern. Bei dieser Aufgabe ermöglichte ihnen ihr Gerät, die Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu betreiben und die Extraktion von Kohlenstoff-Nanoröhrchen erfolgreich abzuschließen.

„Die Ergebnisse der Mikro-Nano-Manipulation, die wir gesammelt haben, bestätigen die hervorragende Leistung des TSS-Geräts bei Wahrnehmungs- und Kontrollanwendungen, die für Bereiche wie Robotik, VR und IoT relevant sind“, sagte Chen. „In einer Folgestudie wollen wir die Zweihandsteuerung erforschen, um eine intuitivere und komfortablere Mensch-Maschine-Interaktion zu erreichen.“


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