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Caoutchouc, demi-semis extensibles et capteurs pour répondre aux besoins des robots-mains

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Les chercheurs ont mis au point des semi-conducteurs caoutchouteux pour les peaux robotiques et "intelligentes" nécessaires à la traduction gestuelle, à la détection haptique en robotique et à la bioélectronique implantable.

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Il est possible de rendre le silicium et les semi-conducteurs quelque peu flexibles en utilisant un substrat super fin, mais cela pose des problèmes de performance et a d'autres limites. Une équipe de l'Université de Houston s'est plutôt lancée dans la création de semi-conducteurs caoutchouteux comprenant des circuits électroniques intégrés, des circuits logiques et des peaux sensorielles en réseau (Fig. 1). Les applications comprennent la robotique et la traduction gestuelle "intelligente" de l'alphabet en langage des signes et la détection haptique pour la robotique, ainsi que la bioélectronique.

1. En utilisant un substrat polymère caoutchouteux spécialement infusé et un gel ionique, les chercheurs ont mis au point des semi-conducteurs et des capteurs très souples. (Source : Université de Houston)

Il est possible de rendre le silicium et les semi-conducteurs quelque peu flexibles en utilisant un substrat super fin, mais cela pose des problèmes de performance et a d'autres limites. Une équipe de l'Université de Houston s'est plutôt lancée dans la création de semi-conducteurs caoutchouteux comprenant des circuits électroniques intégrés, des circuits logiques et des peaux sensorielles en réseau (Fig. 1). Les applications comprennent la robotique et la traduction gestuelle "intelligente" de l'alphabet en langage des signes et la détection haptique pour la robotique, ainsi que la bioélectronique.

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1. En utilisant un substrat polymère caoutchouteux spécialement infusé et un gel ionique, les chercheurs ont mis au point des semi-conducteurs et des capteurs très souples. (Source : Université de Houston)

Les chercheurs ont combiné leur composite de caoutchouc (polydiméthylsiloxane, PDMS) comme semi-conducteur étirable avec des nanoparticules d'argent ayant des nanofils d'argent à revêtement conforme (AuNP-AgNW) dispersés dans le PDMS comme conducteur étirable. Un gel ionique a été utilisé comme diélectrique de grille.

Un autre avantage de leur approche est qu'ils n'avaient pas besoin de créer un matériau unique, ce qui impliquerait une conception et une synthèse moléculaires sophistiquées. Au lieu de cela, tous les matériaux qu'ils ont utilisés sont disponibles sur le marché et peuvent être facilement fabriqués et ont des performances stables. Ils ont été en mesure d'accroître considérablement la mobilité des transporteurs en offrant des trajets rapides et, par conséquent, une distance de transport plus courte.

Certains des efforts se sont concentrés sur des transistors individuels détaillés dans leur article académique "Rubbery electronics and sensors from intrinsically stretchable elastomeric composites of semiconductors and conductors" dans AAAS Science Advances (avec de nombreuses références à la fin), ainsi que dans Supplementary Materials en profondeur. Cependant, des travaux ont été effectués sur l'utilisation de cette technologie pour créer des capteurs de déformation, de pression et de température.

Par exemple, ils ont construit un capteur de contrainte sous forme de canal d'une longueur et d'une largeur de 50 mm et de 5 mm, respectivement, et d'une épaisseur d'environ 100 nm (figure 2). La résistance électrique du capteur augmentait à mesure qu'il s'étirait. Lorsque la déformation appliquée était dans le sens de la longueur du canal, la résistance a augmenté de 0,3 à 4,6 GΩ ; une augmentation approximativement linéaire de la résistance a été obtenue par étirement mécanique.

2. Capteurs de traction, de pression et de température en caoutchouc : Représentation schématique éclatée du capteur de contrainte (a) ; photographies des capteurs sous différents niveaux de contrainte mécanique (b) ; résistance électrique mesurée du capteur de contrainte sous différents niveaux de contrainte mécanique le long de la direction de longueur du canal (noir) et perpendiculairement à la direction de longueur du canal (bleu) (c) ; variation relative de la résistance (ΔR/Ro) sous tension et décharge cyclique (d) ; facteur de mesure GF du capteur de contrainte par rapport aux différentes déformations (e) ; variation relative de la résistance électrique (R/Ro) du capteur de pression par rapport au temps sous différents niveaux de pression (f) ; variation relative de la résistance électrique du capteur de pression sous un cycle de charge (rouge) et décharge (bleu) (g) ; variation relative de la résistance électrique du capteur de température par rapport aux différentes températures (h). (Source de l'image : Université de Houston)

Pour une démonstration réelle et plus tangible du potentiel de l'électronique et des capteurs extensibles, l'équipe a équipé une main robotique (Star Wars Science, bras robotique Dark Vador) de capteurs de température et de pression placés sur les phalanges au lieu des articulations des doigts, pour éviter le couplage des mouvements des doigts (figure 3). Cette peau artificielle peut fournir des capacités telles que l'interprétation des gestes et la détection haptique pour les robots. Les capteurs de contrainte traduisent directement un geste en un paramètre électrique tel que la résistance pour fournir des données permettant de comprendre le langage des signes, entre autres applications.

3. Peaux robotisées caoutchouteuses à base d'électronique, extensibles de manière intrinsèque : Photographies d'une main robotique avec des capteurs caoutchouteux intrinsèquement extensibles (a) ; photographie de capteurs de déformation situés sur les charnières d'un doigt robotique (vue de gauche, vue de dessus) et photographie superposée du doigt robotique avec différents angles de flexion de 0° à 90° (droite, vue latérale) (b) : résistance électrique du capteur de déformation sous différents degrés de flexion (c) ; démonstration de l'utilisation d'une série de capteurs de déformation sur une main robotique pour traduire les lettres (d) en langue des signes. Les schémas en médaillon de la main colorée sont des valeurs de résistance électrique qui correspondent aux gestes de la main (voir Matériaux supplémentaires et fig. S11 et S12 pour les détails). Photographies de la main robotique avec la température (e). (Source : Université de Houston)

Le chercheur principal Cunjiang Yu, Bill D. Cook, professeur adjoint de génie mécanique, a déclaré que les prochaines étapes consisteront à accroître encore la mobilité des porteurs et à construire une hiérarchie plus complexe et des circuits numériques intégrés de haut niveau.

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