Vật liệu tổng hợp từ tính – cuộc cách mạng cho da nhân tạo của robot

Trong các hệ thống như vậy, các cảm biến của vật chất mềm được sử dụng nhằm thu thập thông tin từ môi trường, thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, ví dụ như một màn hình cảm ứng. Các nhà khoa học đưa ra nhiều nghiên cứu dành cho sự phát triển của công nghệ da nhân tạo, dựa vào cảm biến điện trở hoặc điện dung, chuyển hóa thay đổi áp suất thành điện trở trong các kênh chất lỏng, tích hợp trong chất đàn hồi, áp điện, điện áp, quang học, âm thanh và nhiều dạng vật chất khác. Sự sáng tạo và tinh tế của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này đạt được những kết quả không ngờ.

Trong những sáng chế mang tính đột phá, nhiều công nghệ khó có thể mở rộng được do những thách thức trong quá trình chế tạo. Lớp da nhân tạo thu thập thông tin thường yêu cầu vật liệu tinh tế và hệ thống dây điện cho mỗi điểm cảm biến, có thể trở nên không khả thi nếu phát triển trên quy mô công nghiệp.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu do GS Carmel Majidi lãnh đạo tại Đại học Carnegie Mellon bang Pennsylvania, Mỹ đưa ra đề xuất phát triển lớp da xúc giác được chế tạo từ vật liệu composite từ tính mới, tạo ra từ hợp chất đàn hồi silicon có chứa các vi hạt từ tính.

Bà Hellebrekers, thành viên nhóm nghiên cứu cho biết: Cuối cùng, chúng tôi muốn phát triển cảm biến xúc giác có thể mở rộng, mềm mại và có xúc giác phù hợp. Điều đó có nghĩa là cảm biến hóa mọi bề mặt cần thông tin xúc giác, ví dụ như dụng cụ kẹp robot, thiết bị y tế, tay nắm cửa, thiết bị thể thao... Vật liệu của chúng tôi tập hợp thông tin về áp lực và sự tiếp xúc cục bộ nhưng vẫn ở dạng mỏng, có thể kéo dài, dàn mỏng, có thể bao bọc nhiều hình dạng vật thể và bề mặt phức tạp.

Lớp da nhân tạo mới đo được lực và vùng tiếp xúc cục bộ thông qua biến dạng, làm thay đổi vị trí và hướng của các vi hạt từ tính nhúng đối với từ kế, thiết bị được sử dụng để xác đinh sự thay đổi của mạng lưới từ trường.

Sự thay đổi từ trường và lực tác dụng được thu thập ở 25 điểm lưới khác nhau trong phạm vi 15mm2. Vị trí và cảm biến độ sâu được thực hiện bằng thuật toán phân tích phân biệt bậc hai (QDA), có thể phân biệt sự dịch chuyển của 25 vị trí lưới với độ chính xác > 98%. Ngoài ra, để giảm số lượng chip điện tử và hệ thống dây dẫn, lớp da từ tính tận dụng các đặc tính phục hồi hình thái để giảm kích thước dữ liệu đầu ra trước khi phân tích.

Bằng phương thức sử dụng chip kỹ thuật số, chúng ta có thể tăng kích thước của vùng cảm nhận mà không cần thay đổi giao diện đầu ra, bà Hellebrekers giải thích. Vật liệu composite cần gần sát chip nhưng không được kết nối. Điều này cho phép mỗi chip kỹ thuật số sẽ linh hoạt hơn trong việc cài đặt và tích hợp với lớp da nhân tạo từ tính.

Nghiên cứu này vẫn chỉ là thí nghiệm về một khái niệm công nghệ mới, nhóm các nhà khoa học dự tính sẽ cải thiện phạm vi và độ phân giải lực và vị trí tiếp xúc của thiết bị.

Tương tự như hầu hết các công nghệ robot, thách thức tiếp theo là bảo toàn chất lượng tín hiệu khi kết quả nghiên cứu rời khỏi môi trường được kiểm soát chặt chẽ của phòng thí nghiệm và đưa vào thực tế khai thác sử dung. Nhiễu từ tính không lường trước từ điện thoại di động và các thiết bị công nghệ khác sẽ can thiệp vào thuật toán, được thực hiện trong môi trường thí nghiệm hiện tại. Nhóm nghiên cứu cần tiến hành các thí nghiệm sâu hơn nữa để loại bỏ nhiễu từ trường này.

Nghiên cứu này cho thấy sự cần thiết phải chế tạo các vật liệu bao phủ bề mặt đơn giản, cung cấp nhiều thông tin, cho phép có được các cảm nhận trong các lĩnh vực như điều khiển hoạt động của robot, hệ thống mềm linh hoạt và các phép đo phản ứng sinh học.