.
À medida que nos movemos para um mundo onde as interações homem-máquina estão se tornando mais proeminentes, a demanda por sensores de pressão que são capazes de analisar e simular o toque humano provavelmente crescerá.
Um desafio enfrentado pelos engenheiros é a dificuldade em fazer o tipo de sensor altamente sensível e econômico necessário para aplicações como detecção de pulsos sutis, operação de membros robóticos e criação de escalas de ultra-alta resolução. No entanto, uma equipe de pesquisadores desenvolveu um sensor capaz de realizar todas essas tarefas.
Os pesquisadores, da Penn State e da Hebei University of Technology na China, queriam criar um sensor que fosse extremamente sensível e confiável linearmente em uma ampla gama de aplicações, tivesse alta resolução de pressão e fosse capaz de trabalhar sob grandes pré-cargas de pressão.
“O sensor pode detectar uma pequena pressão quando uma grande pressão já é aplicada”, disse Huanyu “Larry” Cheng, James L. Henderson Jr. publicado na Nature Communications. “Uma analogia que gosto de usar é como detectar uma mosca em cima de um elefante. Ela pode medir a menor mudança na pressão, assim como nossa pele faz com o toque.”
Cheng se inspirou para desenvolver esses sensores devido a uma experiência muito pessoal: o nascimento de sua segunda filha.
A filha de Cheng perdeu 10% de seu peso corporal logo após o nascimento, então o médico pediu que ele pesasse o bebê a cada dois dias para monitorar qualquer perda adicional ou ganho de peso. Cheng tentou fazer isso pesando-se em uma balança doméstica comum e, em seguida, pesando-se segurando a filha para medir o peso do bebê.
“Percebi que, quando coloquei minha filha no cobertor, quando não a segurava mais, você não notou a mudança de peso”, disse Cheng. “Então, aprendemos que tentar usar uma balança comercial não funciona, ela não detecta a mudança de pressão.”
Depois de tentar muitas abordagens diferentes, eles descobriram que o uso de um sensor de pressão composto por estruturas micropiramidais de gradiente e uma camada iônica ultrafina para dar uma resposta capacitiva era o mais promissor.
No entanto, havia um problema contínuo que eles enfrentavam. A alta sensibilidade das microestruturas diminuiria à medida que a pressão aumentasse, e as microestruturas aleatórias que foram modeladas a partir de objetos naturais resultaram em deformação incontrolável e uma faixa linear estreita. Em termos simples, quando a pressão era aplicada ao sensor, ela mudaria a forma do sensor e, portanto, alteraria a área de contato entre as microestruturas e prejudicaria as leituras.
Para enfrentar esses desafios, os cientistas projetaram padrões de microestrutura que poderiam aumentar a faixa linear sem diminuir a sensibilidade – eles essencialmente o tornaram flexível, para que ainda pudesse funcionar na gradiente de pressões que existem no mundo real. Seu estudo explorou o uso de um laser de CO2 com um feixe gaussiano para fabricar estruturas programáveis, como microestruturas piramidais de gradiente (GPM) para sensores iontrônicos, que são eletrônicos macios que podem imitar as funções de percepção da pele humana. Esse processo reduz o custo e a complexidade do processo em comparação com a fotolitografia, o método comumente usado para preparar padrões delicados de microestrutura para sensores.
“Acho que no futuro é possível melhorar ainda mais o modelo e ser capaz de dar conta de sistemas mais complexos e então certamente poderemos entender como fazer sensores ainda melhores”.
Huanyu “Larry” Cheng, James L. Henderson Jr. Professor Associado Memorial de Ciências da Engenharia e Mecânica, Penn State
Cheng credita Ruoxi Yang, um estudante de pós-graduação em seu laboratório e primeiro autor do estudo, como o condutor desta solução.
“Yang é um aluno muito inteligente que apresentou a ideia de resolver esse problema do sensor, que é realmente algo como uma combinação de muitas peças pequenas, projetadas de maneira inteligente”, disse Cheng. “Sabemos que a estrutura deve ser em microescala e deve ter um design delicado. Mas é um desafio projetar ou otimizar a estrutura, e ela trabalhou com o sistema de laser que temos em nosso laboratório para tornar isso possível. Ela tem trabalhado muito em nos últimos anos e foi capaz de explorar todos esses parâmetros diferentes e ser capaz de rastrear rapidamente todo esse espaço de parâmetros para encontrar e melhorar o desempenho.”
Esse sensor otimizado tinha tempos de resposta e recuperação rápidos e excelente repetibilidade, que a equipe testou detectando pulsos sutis, operando mãos robóticas interativas e criando balanças e cadeiras inteligentes de ultra-alta resolução. Os cientistas também descobriram que as abordagens de fabricação propostas e o kit de ferramentas de design deste trabalho podem ser aproveitados para ajustar facilmente o desempenho do sensor de pressão para várias aplicações de destino e abrir oportunidades para criar outros sensores iontrônicos, a gama de sensores que usam líquidos iônicos, como um ultrafino camada iônica. Além de possibilitar uma balança futura em que seria mais fácil para os pais pesarem seus bebês, esses sensores também teriam outros usos.
“Também fomos capazes de detectar não apenas o pulso do pulso, mas também de outras estruturas vasculares distais, como a sobrancelha e a ponta do dedo”, disse Cheng. “Além disso, combinamos isso com o sistema de controle para mostrar que é possível usá-lo para o futuro da colaboração interacional robótica humana. Além disso, prevemos outros usos de saúde, como alguém que perdeu um membro e este sensor pode fazer parte de um sistema para ajudá-los a controlar um membro robótico.”
Cheng observou outros usos potenciais, como sensores para medir o pulso de uma pessoa durante situações de trabalho de alto estresse, como busca e salvamento após um terremoto ou realização de tarefas difíceis e perigosas em um canteiro de obras.
A equipe de pesquisa usou simulações de computador e design auxiliado por computador para ajudá-los a explorar ideias para esses novos sensores, que Cheng observa ser um trabalho desafiador, considerando todas as soluções possíveis de sensores. Esta assistência eletrônica continuará a impulsionar a pesquisa.
“Acho que no futuro é possível melhorar ainda mais o modelo e ser capaz de dar conta de sistemas mais complexos e então podemos certamente entender como fazer sensores ainda melhores”, disse Cheng.
Além de Cheng e Yang, outros autores do estudo da Penn State incluem Ankan Dutta, Bowen Li, Naveen Tiwari, Wanqing Zhang, Zhenyuan Niu, Yuyan Gao, Daniel Erdely e Xin Xin, e da Universidade de Hebei, Tiejun Li.
.
