Een internationaal team van wetenschappers heeft een innovatieve robotvingertop ontwikkeld die gebruikmaakt van een mechanochromische huid. Deze huid bevat een zogenaamde Bragg-reflector, een polymeerstructuur die verschillende kleuren licht reflecteert afhankelijk van de mate van mechanische vervorming: rood bij minimale en blauw bij maximale vervorming.
De technische opbouw bestaat uit:
- Een interne LED-lamp en camera in een transparante silicone vinger.
- De Bragg-reflector die tussen twee siliconelagen is geplaatst.
- Een zwarte buitenlaag om het kleurcontrast voor de camera te optimaliseren.
Deze methode maakt het mogelijk om topologische kaarten van objecten (zoals munten of menselijke vingertoppen) te genereren met een resolutie van 100 micrometer, zonder computationele vertraging. In tegenstelling tot traditionele tactiele sensoren die gebruikmaken van individuele 'taxels', vertaalt dit systeem de fysieke kleurverandering van het materiaal direct naar digitale signalen. Hoewel duurzaamheid bij soft robotics vaak een uitdaging is, biedt deze constructie bescherming doordat de reflector niet in direct contact komt met objecten. Toekomstige toepassingen kunnen variëren van complete robotische handen tot uiterst nauwkeurige chirurgische instrumenten.
Mechanochromische huid geeft robotvinger fijngevoeligheid
Stel je voor dat je met je vingertop over het oppervlak van een Amerikaanse cent strijkt. Je zou de randen van de verhoogde letters en cijfers voelen, het geprofileerde zijprofiel van Abe Lincoln en, als het de achterkant is, de gecanneleerde zuilen van het Lincoln Memorial. Het is een enorme opgave om een robot hetzelfde te laten ervaren, omdat dit vaak vereist dat er gelijktijdig gegevens over druk en kracht op veel ruimtelijke locaties worden verzameld. Een team wetenschappers in Europa is hier nu echter in geslaagd door gebruik te maken van een ongebruikelijke, kleurrijke robotische huid die in realtime resolutie biedt.
"Om eerlijk te zijn: toen ze dit aan ons lieten zien, vonden we het verdomd cool, omdat het een wezenlijk andere aanpak is," herinnert Rich Walker zich, directeur van Shadow Robot, het langst bestaande robotbed van het Verenigd Koninkrijk, dat zich primair richt op robotische handen.
De technologie achter de kleurgevoelige huid
Het onderzoeksteam — afkomstig van Queen Mary University of London, de Universiteit van Florence, de Universiteit van Trieste en de Universiteit van Trento — heeft een robotvingertop ontworpen met een synthetische huid die verschillende kleuren licht reflecteert als reactie op mechanische vervorming. Door het gereflecteerde licht te lezen, kan de vingertop kaarten genereren van de topologie, spanning en contactdruk. Het team heeft de sensor al gebruikt om kaarten te maken van een menselijke vingertop, een muntstuk en een blad.
Giacomo Sasso, postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Federico Carpi aan Queen Mary University of London, bedacht het idee voor de sensor. Tijdens onderzoek naar optica stuitte hij op een artikel in het tijdschrift Nature over "mechanochromisch materiaal", wat uiteindelijk de basis vormde voor de reflector in de huid.
Werking van de Bragg-reflector
Volgens de methode uit Nature exposeerde Sasso een lichtgevoelige film gedurende zeven minuten aan een laser van 5 megawatt met een golflengte van 635 nanometer (rood). De laserstraal creëert een interferentiepatroon waardoor de film polymeriseert in afwisselende dichtheden, wat resulteert in lagen met verschillende brekingsindices.
Deze structuur wordt een Bragg-reflector genoemd. De afwisselende dichtheden en brekingsindices in het polymeer zorgen ervoor dat specifieke golflengten van licht worden gereflecteerd. Wanneer de reflector wordt vervormd door contact met een object, worden de lagen uitgerekt en dunner, waardoor er licht van een andere golflengte wordt gereflecteerd.
Opbouw van de robotvinger
In de robotvinger is de Bragg-reflector ingeklemd tussen twee lagen:
- Een laag silicone die de reflector beschermt tegen de buitenwereld.
- Een transparante, vingertopvormige silicone vinger waarin een camera en een LED-lamp zijn ingebouwd.
Het licht van de LED schijnt door het heldere polymeer van de vinger. Wanneer de vingertop wordt vervormd door een object, kaatst de reflector het licht terug naar de camera. De golflengte hangt af van de mate van vervorming:
- Rood: minimale vervorming.
- Groen: gemiddelde vervorming.
- Blauw: maximale vervorming.
Om de gevoeligheid te verhogen en het kleurcontrast voor de camera te verbeteren, is de buitenste siliconenlaag zwart gekleurd. Daarnaast zorgt de stijfheid van de camera in de vinger voor een sterkere vervorming van de reflector, wat leidt tot grotere verschillen in de gereflecteerde golflengten. Na deze optimalisaties behaalde de vinger een resolutie van 100 micrometer zonder computationele vertraging.
De uitdagingen van tactiele sensing
De menselijke huid neemt diverse tactiele informatie op om objecten succesvol te kunnen manipuleren, waaronder temperatuur, textuur, druk en trillingen. Voor robots is dit technisch uitdagend vanwege beperkte ruimte; er is vaak onvoldoende plek in een robotvingertop voor meer dan één type sensor.
Volgens Rich Walker is de innovatie van Carpi's team spannend omdat het een nieuw alternatief biedt voor roboticisten. Hoewel zachte materialen vaker worden gebruikt, kan deze technologie kwantitatieve informatie over diepte en grootte extraheren uit de topologische kaarten. De meeste sensoren kunnen namelijk alleen relatieve grootten van objectkenmerken weergeven.
Een ander voordeel is dat de tactiele sensing direct in het materiaal van de vinger is ingebed, in plaats van het gebruik van 'taxels' (pixels die kracht of druk op specifieke punten meten). De camera vertaalt simpelweg wat het materiaal fysiek doet direct naar digitale signalen.
Duurzaamheid en toekomstperspectief
Michael Wang, mede-oprichter en hoofdwetenschapper bij Daimon Robotics, merkt op dat soft robotics vaak kampt met duurzaamheidsproblemen. De echte waarde van dit werk zal blijken wanneer de vinger wordt geïntegreerd in complete robotische handen. Wanneer materialen zoals silicone slijten door herhaald gebruik, kunnen de signalen onnauwkeurig worden.
Sasso stelt echter dat de Bragg-reflector niet in direct contact komt met objecten, waardoor de buitenste siliconenlaag als beschermende barrière fungeert. Daarnaast kan de duurzaamheid van het silicone worden verbeterd met specifieke chemische coatings.
Het team is reeds in gesprek met bedrijven die de sensor zouden kunnen implementeren. Ook wordt er gewerkt aan een verbetering waardoor de sensor objecten kan detecteren die niet plat op een oppervlak liggen. Dit zou de weg openen voor toepassingen in chirurgische instrumenten, waarbij een zeer nauwkeurige contactmapping van weefsels en organen vereist is.
Mechanochromische huid geeft robotvinger fijngevoeligheid
Stel je voor dat je met je vingertop over het oppervlak van een Amerikaanse cent strijkt. Je zou de randen van de verhoogde letters en cijfers voelen, het geprofileerde zijprofiel van Abe Lincoln en, als het de achterkant is, de gecanneleerde zuilen van het Lincoln Memorial. Het is een enorme opgave om een robot hetzelfde te laten ervaren, omdat dit vaak vereist dat er gelijktijdig gegevens over druk en kracht op veel ruimtelijke locaties worden verzameld. Een team wetenschappers in Europa is hier nu echter in geslaagd door gebruik te maken van een ongebruikelijke, kleurrijke robotische huid die in realtime resolutie biedt.
"Om eerlijk te zijn: toen ze dit aan ons lieten zien, vonden we het verdomd cool, omdat het een wezenlijk andere aanpak is," herinnert Rich Walker zich, directeur van Shadow Robot, het langst bestaande robotbed van het Verenigd Koninkrijk, dat zich primair richt op robotische handen.
De technologie achter de kleurgevoelige huid
Het onderzoeksteam — afkomstig van Queen Mary University of London, de Universiteit van Florence, de Universiteit van Trieste en de Universiteit van Trento — heeft een robotvingertop ontworpen met een synthetische huid die verschillende kleuren licht reflecteert als reactie op mechanische vervorming. Door het gereflecteerde licht te lezen, kan de vingertop kaarten genereren van de topologie, spanning en contactdruk. Het team heeft de sensor al gebruikt om kaarten te maken van een menselijke vingertop, een muntstuk en een blad.
Giacomo Sasso, postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Federico Carpi aan Queen Mary University of London, bedacht het idee voor de sensor. Tijdens onderzoek naar optica stuitte hij op een artikel in het tijdschrift Nature over "mechanochromisch materiaal", wat uiteindelijk de basis vormde voor de reflector in de huid.
Werking van de Bragg-reflector
Volgens de methode uit Nature exposeerde Sasso een lichtgevoelige film gedurende zeven minuten aan een laser van 5 megawatt met een golflengte van 635 nanometer (rood). De laserstraal creëert een interferentiepatroon waardoor de film polymeriseert in afwisselende dichtheden, wat resulteert in lagen met verschillende brekingsindices.
Deze structuur wordt een Bragg-reflector genoemd. De afwisselende dichtheden en brekingsindices in het polymeer zorgen ervoor dat specifieke golflengten van licht worden gereflecteerd. Wanneer de reflector wordt vervormd door contact met een object, worden de lagen uitgerekt en dunner, waardoor er licht van een andere golflengte wordt gereflecteerd.
Opbouw van de robotvinger
In de robotvinger is de Bragg-reflector ingeklemd tussen twee lagen:
- Een laag silicone die de reflector beschermt tegen de buitenwereld.
- Een transparante, vingertopvormige silicone vinger waarin een camera en een LED-lamp zijn ingebouwd.
Het licht van de LED schijnt door het heldere polymeer van de vinger. Wanneer de vingertop wordt vervormd door een object, kaatst de reflector het licht terug naar de camera. De golflengte hangt af van de mate van vervorming:
- Rood: minimale vervorming.
- Groen: gemiddelde vervorming.
- Blauw: maximale vervorming.
Om de gevoeligheid te verhogen en het kleurcontrast voor de camera te verbeteren, is de buitenste siliconenlaag zwart gekleurd. Daarnaast zorgt de stijfheid van de camera in de vinger voor een sterkere vervorming van de reflector, wat leidt tot grotere verschillen in de gereflecteerde golflengten. Na deze optimalisaties behaalde de vinger een resolutie van 100 micrometer zonder computationele vertraging.
De uitdagingen van tactiele sensing
De menselijke huid neemt diverse tactiele informatie op om objecten succesvol te kunnen manipuleren, waaronder temperatuur, textuur, druk en trillingen. Voor robots is dit technisch uitdagend vanwege beperkte ruimte; er is vaak onvoldoende plek in een robotvingertop voor meer dan één type sensor.
Volgens Rich Walker is de innovatie van Carpi's team spannend omdat het een nieuw alternatief biedt voor roboticisten. Hoewel zachte materialen vaker worden gebruikt, kan deze technologie kwantitatieve informatie over diepte en grootte extraheren uit de topologische kaarten. De meeste sensoren kunnen namelijk alleen relatieve grootten van objectkenmerken weergeven.
Een ander voordeel is dat de tactiele sensing direct in het materiaal van de vinger is ingebed, in plaats van het gebruik van 'taxels' (pixels die kracht of druk op specifieke punten meten). De camera vertaalt simpelweg wat het materiaal fysiek doet direct naar digitale signalen.
Duurzaamheid en toekomstperspectief
Michael Wang, mede-oprichter en hoofdwetenschapper bij Daimon Robotics, merkt op dat soft robotics vaak kampt met duurzaamheidsproblemen. De echte waarde van dit werk zal blijken wanneer de vinger wordt geïntegreerd in complete robotische handen. Wanneer materialen zoals silicone slijten door herhaald gebruik, kunnen de signalen onnauwkeurig worden.
Sasso stelt echter dat de Bragg-reflector niet in direct contact komt met objecten, waardoor de buitenste siliconenlaag als beschermende barrière fungeert. Daarnaast kan de duurzaamheid van het silicone worden verbeterd met specifieke chemische coatings.
Het team is reeds in gesprek met bedrijven die de sensor zouden kunnen implementeren. Ook wordt er gewerkt aan een verbetering waardoor de sensor objecten kan detecteren die niet plat op een oppervlak liggen. Dit zou de weg openen voor toepassingen in chirurgische instrumenten, waarbij een zeer nauwkeurige contactmapping van weefsels en organen vereist is.
Groetjes,