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Gummi, dehnbares Halbzeug und Sensoren erfüllen die Bedürfnisse der Roboterhand

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Die Forscher entwickelten gummiartige Halbleiter für robotische und "intelligente" Haut, die für die Gestenübersetzung, die haptische Abtastung für die Robotik und die implantierbare Bioelektronik benötigt werden.

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Es ist möglich, Silizium und Halbleiter durch die Verwendung eines ultradünnen Substrats etwas flexibler zu gestalten, aber das bringt Performance-Probleme mit sich und hat andere Einschränkungen. Ein Team der University of Houston hat stattdessen die "volle Strecke" zurückgelegt, indem es gummiartige Halbleiter mit integrierter Elektronik, Logikschaltungen und geordneten sensorischen Skins entwickelt hat (Abb. 1). Zu den Anwendungen gehören robotische und "intelligente" Skins gor Gestenübersetzung des Gebärdensprachenalphabets und haptisches Abtasten für die Robotik sowie die Bioelektronik.

1. Durch die Verwendung eines speziell infundierten kautschukartigen Polymersubstrats und eines Ionengels entwickelten die Forscher hochflexible Halbleiter und Sensoren. (Quelle: University of Houston)

Es ist möglich, Silizium und Halbleiter durch die Verwendung eines ultradünnen Substrats etwas flexibler zu gestalten, aber das bringt Performance-Probleme mit sich und hat andere Einschränkungen. Ein Team der University of Houston hat stattdessen die "volle Strecke" zurückgelegt, indem es gummiartige Halbleiter mit integrierter Elektronik, Logikschaltungen und geordneten sensorischen Skins entwickelt hat (Abb. 1). Zu den Anwendungen gehören robotische und "intelligente" Skins gor Gestenübersetzung des Gebärdensprachenalphabets und haptisches Abtasten für die Robotik sowie die Bioelektronik.

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1. Durch die Verwendung eines speziell infundierten kautschukartigen Polymersubstrats und eines Ionengels entwickelten die Forscher hochflexible Halbleiter und Sensoren. (Quelle: University of Houston)

Die Forscher kombinierten ihren Kautschukverbund (Polydimethylsiloxan, PDMS) als dehnbaren Halbleiter mit Silber-Nanopartikeln mit konform beschichteten Silber-Nanodrähten (AuNP-AgNW), die innerhalb des PDMS als dehnbarer Leiter verteilt sind. Als Gate-Dielektrikum wurde ein Ionengel verwendet.

Ein weiterer Vorteil ihres Ansatzes ist, dass sie kein einzigartiges Material entwickeln mussten, was ein ausgeklügeltes molekulares Design und Synthese erfordert. Stattdessen sind alle von ihnen verwendeten Materialien kommerziell verfügbar und können leicht hergestellt werden und haben stabile Leistungen. Sie konnten die Carrier-Mobilität durch schnelle Wege und damit eine verkürzte Carrier-Transportstrecke deutlich erhöhen.

Ein Teil der Bemühungen konzentrierte sich auf einzelne Transistoren, die in ihrer wissenschaftlichen Arbeit "Rubbery electronics and sensors from intrinsically elongable elastomeric composites of semiconductors and conductors" in AAAS Science Advances (mit umfangreichen Referenzen am Ende) sowie in vertiefenden Supplementary Materials beschrieben wurden. Es wurde jedoch daran gearbeitet, mit dieser Technologie Sensoren für Dehnung, Druck und Temperatur zu erzeugen.

So konstruierten sie beispielsweise einen Dehnungssensor als Kanal mit einer Länge und Breite von 50 mm bzw. 5 mm und einer Dicke von etwa 100 nm (Abb. 2). Der elektrische Widerstand des Sensors nahm mit zunehmender Dehnung zu. Wenn die aufgebrachte Dehnung entlang der Kanallängenrichtung lag, erhöhte sich der Widerstand von 0,3 auf 4,6 GΩ; beim mechanischen Strecken wurde eine annähernd lineare Erhöhung des Widerstands erreicht.

2. Gummi-Dehnungs-, Druck- und Temperatursensoren: Explosionsdarstellung des Dehnungssensors (a); Fotografien der Sensoren unter verschiedenen mechanischen Dehnungsniveaus (b); gemessener elektrischer Widerstand des Dehnungssensors unter verschiedenen mechanischen Dehnungsniveaus entlang der Kanallängenrichtung (schwarz) und senkrecht zur Kanallängenrichtung (blau) (c); relative Änderung des Widerstands (ΔR/Ro) beim zyklischen Dehnen und Lösen (d); manometerfaktor GF des Dehnungssensors in Bezug auf die unterschiedliche Dehnung (e); relative elektrische Widerstandsänderung (R/Ro) des Drucksensors in Bezug auf die Zeit bei unterschiedlichen Druckstufen (f); relative elektrische Widerstandsänderung des Drucksensors in einem Lade- (rot) und Entladezyklus (blau) (g); relative elektrische Widerstandsänderung des Temperatursensors in Bezug auf die unterschiedliche Temperatur (h). (Bildquelle: University of Houston)

Für eine realitätsnahe, greifbarere Demonstration des Potenzials der dehnbaren Elektronik und Sensoren stattete das Team eine Roboterhand (Star Wars Science, Darth Vader Robotic Arm) mit Temperatur- und Drucksensoren aus, die auf den Phalangen statt auf den Gelenken der Finger platziert wurden, um eine gekoppelte Ausgabe der Fingerbewegungen zu vermeiden (Abb. 3). Diese künstliche Haut kann Fähigkeiten wie Gesteninterpretation und haptische Wahrnehmung für Roboter bereitstellen. Die Dehnungssensoren übersetzen eine Geste direkt in einen elektrischen Parameter wie Widerstand, um Daten für das Verständnis der Gebärdensprache und andere Anwendungen zu liefern.

3. Eigendehnbare, gummiartige, elektronikbasierte Roboterhäute: Fotografien einer Roboterhand mit intrinsisch dehnbaren gummiartigen Sensoren (a); Fotografien von Dehnungssensoren, die sich an den Scharnieren eines Roboterfingers befinden (links, Draufsicht) und überlappende Fotografien des Roboterfingers mit unterschiedlichen Biegewinkeln von 0° bis 90° (rechts, Seitenansicht) (b): elektrischer Widerstand des Dehnungssensors unter verschiedenen Biegestufen (c); Demonstration der Verwendung einer Reihe von Dehnungssensoren an einer Roboterhand zur Übersetzung von Zeichensprachenalphabeten (d). Die eingefügten Schaltpläne der farbigen Hand sind elektrische Widerstandswerte, die den Handgesten entsprechen (siehe die Zusatzmaterialien und die Abbildungen S11 und S12 für Details). Fotografien der Roboterhand mit der Temperatur (e). (Quelle: University of Houston)

Der leitende Forscher Cunjiang Yu, ein Bill D. Cook Assistant Professor für Maschinenbau, sagte, dass die nächsten Schritte darin bestehen werden, die Trägermobilität weiter zu erhöhen und komplexere Hierarchien und hochrangige integrierte digitale Schaltungen aufzubauen.

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