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改善機器手臂精準與安全 NUS開發應變感測器

輕量的應變感測器可整合應用於復健手套以提升靈敏性與效能表現。新加坡國立大學

新加坡國立大學(NUS)研究人員採用柔韌、可延展、可導電奈米材料MXenes開發的應變感測器(strain sensor),量測物體細微移動的靈敏度是現有技術的10倍,並具備超薄、免用電池、無線傳輸能力等特性,在許多應用上能發揮極大效益。

根據Electronics360報導,NSU生物醫學工程系副教授與軟性機器人實驗室負責人Raye Yeow指出,先進的柔韌、可延展、軟性應變感測器,讓軟性的穿戴式機器人能感測病患的運動範圍等肌肉活動能力表現,透過更正確掌握病患的實際能力,最終可適時提供必要的手部活動輔助。

NUS助理教授Chen Po-Yen表示,目前感測材料的特性限制了傳統應變感測器的效能表現,僅能提供使用者少數的客製化選項,難以滿足特定應用的需求。而NUS運用新的奈米材料開發的應變感測器能分辨細微的震動與移動,因此具高訊噪比(signal-to-noise ratio)能提升精確度,應用於工業機器手臂可望改善操作的精準性與安全性。

NUS能控制MXenes的表面質地,因此可調控應變感測器應用於各種軟性外骨骼(exoskeleton)的效能表現。微晶片製造等精準製造應用是非常適合應變感測器發揮所長的領域之一,以往精準製造採用的傳統機器手臂,需倚賴外部攝影機監測手臂移動與定位,而NUS開發的應變感測器無需任何視覺輸入,即可提供精準移動資料的自動回饋且誤差範圍在1度以內。

NUS制定的應變感測器設計原則能大幅強化應用於電子皮膚與軟性機器人的效能表現,NUS開發的應變感測器包覆於機器手臂表面可在伸展時量測手臂的細微動作,配置於手臂關節則能讓系統精確掌握機器手臂移動的距離與目前相對於靜止狀態時的位置,例如NUS的應變感測器整合應用於復健手套可提升操作的靈敏性與效能表現。

NUS研究人員結合工作範圍各異的多重感測器,以創建單一超靈敏感測器,並製作出能實際運作的軟性外骨骼應用原型:軟性機器人復健手套。此外標準感測器的工作範圍可達100%,而突破性的製程則讓NUS開發的應變感測器延展範圍達到0%~900%,且仍能維持其感測品質與高訊噪比,因此可客製化以支援各種工作範圍的應用。

將超薄的無線感測模組配置於長型機器人工具,讓醫師可在雙手無法觸及的人體內部進行診斷與手術而無需訴諸開放手術,因此NUS研究團隊也跟新加坡綜合醫院(Singapore General Hospital)合作強化應變感測器的功能,並探索在復健用的軟性外骨骼與經口機器手臂手術(transoral robotic surgery;TORS)等手術機器人的應用。

NSU開發應變感測器歷時2年,研究果發表於2020年9月的ACS Nano科學期刊。


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