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npj Flexible Electronics volumen 6, número de artículo: 65 (2022) Citar este artículo

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En muchos sistemas de sensores blandos, los cables externos para conectar los sensores a los circuitos de control han planteado problemas prácticos, en términos de factores de forma compactos y robustez física. Este estudio propone un diseño de conjuntos de sensores blandos que pueden funcionar con una cantidad drásticamente reducida de cables sin degradar el rendimiento original. El concepto propuesto es una serie de módulos de detección suave, cada uno de los cuales consta de un inductor y un capacitor integrados al lado del módulo de detección resistivo, construyendo un filtro de paso de banda de resistencia-inductor-condensador. Al ajustar los valores de la capacitancia y la inductancia, se asigna una banda de frecuencia única a cada módulo de detección, lo que permite una detección distintiva utilizando solo dos cables externos, independientemente del número de módulos. La funcionalidad de detección multitáctil del sistema se modela analíticamente y se caracteriza experimentalmente. Aprovechando el diseño, se demuestran como aplicaciones prácticas un sensor táctil en la yema del dedo y un sensor de presión en la plantilla del pie.

Los avances recientes en tecnologías electrónicas flexibles y estirables han creado varias aplicaciones nuevas de sensores blandos en el área de la piel artificial1,2,3,4,5,6,7,8 o robots portátiles9,10,11,12,13,14. aprovechando su cumplimiento mecánico que facilita la conformación física de los sensores a las superficies de las estructuras anfitrionas con varias formas15,16,17. Un sistema robótico a menudo requiere múltiples sensores para obtener una cantidad suficiente de datos, y una serie de sensores con integración compacta no solo puede cubrir una gran área de interés sino que también proporciona una alta resolución espacial18,19,20,21,22,23. 24. Sin embargo, los múltiples componentes electrónicos que componen un conjunto de sensores generalmente requieren una configuración de hardware más compleja25,26,27. Particularmente en sensores blandos, los múltiples cables de señal causan problemas prácticos, como fragilidad mecánica, interferencia física entre cables adyacentes y complejidad del sistema. Sin embargo, en los estudios sobre sensores blandos esta cuestión no se ha tenido seriamente en cuenta hasta el momento, a pesar de su importancia práctica.

Específicamente, los cables en un sistema robótico blando inducen restricciones físicas cuando el sistema sufre grandes movimientos dinámicos. En este caso, los cables deben ser lo suficientemente largos para cubrir el espacio de configuración sin interferir con otros componentes ni enredarse. Además, en los sistemas robóticos blandos típicos, las conexiones mecánicas entre sensores blandos y cables regulares suelen ser las áreas más frágiles debido a las interfaces físicas entre materiales rígidos y blandos con altas concentraciones de tensión28. Esto se vuelve más problemático cuando se implementan múltiples sensores como una matriz que inevitablemente contiene conexiones de cableado más complejas. Además, la reparación de los cables en sistemas blandos a menudo requiere un proceso manual tedioso y, a veces, es necesario reemplazar todo el conjunto debido a fallas en el cableado.

Una forma directa de aliviar esos problemas es utilizar menos cables para minimizar la posibilidad de fallas en los cables o las conexiones. Anteriormente, ha habido varios enfoques para construir conjuntos de sensores blandos con un número reducido de cables. Uno de los métodos más comunes es conectar todos los módulos sensores en serie con una línea de alimentación y agregar cables de señal a los nodos entre módulos adyacentes1,29. Sin embargo, este enfoque requiere al menos el mismo número de cables de señal que el de los sensores, y resulta aún menos práctico si se utiliza una gran cantidad de sensores. Aunque es posible utilizar un multiplexor para barrer las señales de salida a través de los módulos30,31, el tiempo de procesamiento se degrada con un aumento del número de sensores. Otro enfoque es configurar el conjunto de sensores en un patrón de cuadrícula con múltiples capas32,33. En comparación con la conexión en serie, la disposición de la red tiende a utilizar menos cables cuando aumenta el número de módulos de detección. Sin embargo, los conjuntos de sensores de tipo rejilla a menudo sufren un efecto de tecla fantasma, y no logran demostrar una funcionalidad multitáctil completa. Aunque el efecto de clave fantasma se puede solucionar utilizando un diodo o multiplexor adicional, aumenta la complejidad del sistema y el factor de forma26,27. Ha habido un estudio reciente para rastrear múltiples sensores blandos con un cable de salida única utilizando aprendizaje automático34,35, lo que sin embargo requiere un proceso de capacitación con una cantidad relativamente grande de datos. Suponiendo que cada módulo de detección requiere una sola entrada y una sola salida, la Figura complementaria 1 compara numéricamente la cantidad de cables necesarios para cada enfoque con la cantidad de módulos de detección.

Sin embargo, abordamos este problema desde una perspectiva diferente y prestamos atención a una tecnología que no está necesariamente muy relacionada con los sensores blandos o la robótica blanda. Las telecomunicaciones utilizan un sistema avanzado que transmite una enorme cantidad de datos sin ninguna conexión física. Nos inspiramos y nos centramos especialmente en el principio de las radios, en las que las señales se transmiten y transportan mediante ondas de alta frecuencia, las llamadas "señales portadoras". Estas ondas transportan las señales modulando las amplitudes o frecuencias, y el receptor puede extraer distintas señales de forma distintiva36. De manera similar, asignamos una frecuencia única a cada módulo de detección en el conjunto de sensores para que las señales de múltiples sensores puedan integrarse en diferentes señales portadoras a través de un solo cable de señal, lo que en última instancia requiere solo dos cables, uno para entrada y otro para producción.

En este artículo, proponemos un diseño de un conjunto de sensores blandos que requiere solo dos cables externos, independientemente de la cantidad de módulos de detección. El sistema de sensores propuesto es una serie de sensores blandos de tipo resistivo, hechos de elastómero de silicona incrustados con microcanales llenos de metal líquido a temperatura ambiente (galio-indio eutéctico, es decir, EGaIn)1,37,38,39,40,41. Cuando el microcanal se deforma por compresión, aumenta su resistencia eléctrica. Se incrustaron un inductor y un condensador de tipo de montaje superficial junto a cada sensor de microcanal en la estructura de elastómero para construir un filtro de paso de banda (BPF) de resistencia-inductor-condensador (RLC). Al ajustar los valores de la inductancia y la capacitancia, se puede asignar una frecuencia de filtrado diferente a cada módulo de detección, lo que permite la detección individual mientras se comparte el mismo cable de señal42,43. Para controlar el conjunto de sensores, se aplica al conjunto de sensores una señal de entrada personalizada generada por un microcontrolador y el mismo dispositivo adquiere la señal de salida. Finalmente, la interpretación de la señal de salida proporciona información sobre el cambio de resistencia de cada módulo sensor. Para construir un prototipo físico del sistema sensor propuesto, se desarrolló un método de fabricación utilizando una técnica de impresión directa de patrones de metal líquido44. Además, se introdujeron varios diseños de sensores táctiles blandos utilizando el esquema propuesto para demostrar la viabilidad del método propuesto en aplicaciones prácticas.

Se fabricó un prototipo en forma de una matriz de 4 por 4 (Fig. 1a). Los inductores y condensadores se colocaron en un lado del dispositivo (Fig. 1b), lo que hizo que todo el hardware del sensor fuera flexible y estirable (Fig. 1c). En la esquina se encontraban los puertos de conexión para dos cables externos. Los canales de EGaIn se fabricaron mediante un proceso de impresión directa sobre un sustrato de silicona con un dispensador neumático. La Figura 1d muestra la sección transversal del canal fabricado mediante la técnica de impresión directa. También se construyó una interfaz gráfica para visualizar el funcionamiento del sensor como se demuestra en la Fig. 1e y el Video complementario 2 para detección de un solo toque y multitáctil.

a Prototipo de un conjunto de sensores blandos de 4 por 4 (vista superior) y b vista cerrada que muestra el módulo de detección y la electrónica. c Flexibilidad del sistema de sensores propuesto. d Sección transversal del microcanal EGaIn con los parámetros de dimensión. e Visualización 3D de detección de un solo toque y multitáctil en tiempo real.

El conjunto de sensores propuesto se construyó conectando múltiples RLC-BPF en paralelo, compuestos por un inductor, un condensador y una resistencia variable hecha de un microcanal EGaIn conectado en serie. Se eligió la conexión en serie de L, C y R para la estructura BPF ya que tiene la configuración de hardware más simple, lo cual es muy crucial para organizar todos los componentes en un solo plano sin que los canales EGaIn se crucen entre sí. Como se muestra en la Fig. 2a, el hardware del sensor contiene una matriz paralela de BPF, mientras que solo dos cables están conectados al dispositivo. Aunque los BPF parecen ocupar una porción relativamente grande del área en el hardware del sensor, lo que puede limitar la flexibilidad o la capacidad de estiramiento de todo el dispositivo, siempre es posible disponer los componentes rígidos en el área donde la conformidad mecánica no es un requisito crítico. durante la operación dependiendo de las aplicaciones, como se demuestra con ejemplos en la sección "Aplicaciones de sensores de punta de los dedos y de la plantilla". Se utilizó un dispositivo comercial que puede generar formas de onda arbitrarias y leer voltajes de entrada analógicos para proporcionar la entrada y leer las señales de salida.

a Dibujo conceptual de la configuración del sistema de sensores y esquema de funcionamiento. b Respuestas del sensor trazadas en un dominio de frecuencia. Los círculos rojos muestran los 16 picos de todos los módulos de detección. c Tasa de muestreo versus tamaño de muestreo FFT para 16 módulos de detección. d Error de frecuencia en FFT como función del tamaño de muestreo de FFT para 16 módulos de detección. e Tasa de muestreo frente a los números de módulos de detección para un tamaño de muestreo FFT de 1024. Las barras de error indican desviaciones estándar (n = 5). f Respuesta del sensor para la fuerza aplicada al módulo sensor 3. La línea roja muestra la respuesta del módulo sensor 3 y otras líneas son las respuestas de los módulos adyacentes (Módulos 2 y 4). g Respuestas del sensor para la fuerza aplicada a todos los módulos de detección. h Fuerza para la respuesta de voltaje de salida del módulo sensor 3 cuando se aplica una fuerza solo al módulo sensor 3 (gris), y la respuesta del módulo sensor 3 cuando la fuerza se aplica a los 16 módulos (negro). i Comparación de la predicción teórica (rojo) y el resultado experimental (negro) del cambio de resistencia en el módulo sensor y el voltaje de salida.

Cada BPF tiene una frecuencia de resonancia única (es decir, frecuencia de filtrado) determinada por los valores de la inductancia y la capacitancia. Estas frecuencias de los módulos sensores se distribuyen con suficiente espacio para que el ancho de banda de cada BPF no interfiera con el de los adyacentes. Luego se diseñó una forma de onda personalizada como una combinación de ondas sinusoidales con las frecuencias de filtrado de todos los BPF y se aplicó a la matriz de sensores. Cuando esta señal pasa por el circuito, cada BPF pasa solo el componente de onda sinusoidal con la frecuencia correspondiente mientras filtra los demás. La amplitud de la onda que pasa se modula en función de la impedancia del BPF determinada por el cambio de resistencia del módulo sensor, inducido por la fuerza de contacto aplicada al microcanal EGaIn. Midiendo el voltaje a través de la resistencia de referencia (20 Ω) y convirtiéndolo en el dominio de la frecuencia, se puede calcular la amplitud de cada componente de onda sinusoidal. El valor de la resistencia de referencia se configuró para que coincidiera con la impedancia (consulte la figura complementaria 2) del conjunto de sensores y para maximizar la sensibilidad. Finalmente, la fuerza aplicada se puede estimar a partir del cambio en las amplitudes y, al repetir la operación a una velocidad razonablemente rápida, podemos lograr una detección en tiempo real.

El conjunto de sensores propuesto y el esquema de operación sugieren dos beneficios en comparación con los conjuntos de sensores convencionales. En primer lugar, el conjunto de sensores se puede escanear utilizando sólo dos cables externos, independientemente del número de módulos de detección utilizados. Además, aprovechando los circuitos simples del diseño del sensor (conexión en paralelo de RLC-BPF), podemos aumentar (o reducir) fácilmente el número de módulos, así como organizar los módulos en los patrones deseados, sin causar ninguna complejidad estructural significativa. . Además, al utilizar un dispositivo comercial de tamaño compacto capaz de generar formas de onda y leer entradas de voltaje analógico, todo el sistema podría volverse portátil. En segundo lugar, dado que el proceso de barrido a través de los módulos sensores implica únicamente cálculo y no requiere ninguna conmutación electrónica, la velocidad de muestreo del sistema no cae incluso aunque se empleen y operen más módulos sensores. La frecuencia de muestreo se puede mejorar aún más mejorando la eficiencia del cálculo.

Primero evaluamos la distribución de las frecuencias de filtrado y los anchos de banda de los BPF en el dominio de la frecuencia. La Figura 2b muestra una instantánea del gráfico de la transformada rápida de Fourier (FFT) cuando el sensor estaba en estado de reposo. En la figura se ven claramente dieciséis picos que representan que las frecuencias de filtrado están bien distribuidas. Realizamos FFT utilizando cada conjunto de 1024 mediciones de voltaje de salida. Al establecer el tamaño de los puntos de datos FFT en potencia de dos (es decir, N = 2n, n = 1, 2, 3,…), podemos dividir fácilmente la transformación en dos partes de tamaño N/2 en cada paso y acelerar el proceso de cálculo de FFT. Ahora necesitamos determinar un número específico para los puntos de datos FFT. Una gran cantidad de puntos de datos ralentizará el proceso. En el sistema propuesto, se observó una caída significativa en la tasa de muestreo cuando el tamaño del lote aumentó de 1024 a 2048 (Fig. 2c). Por otro lado, cuantas más muestras de datos para FFT se obtendrá mayor precisión. A medida que la resolución de frecuencia de FFT aumenta según el número de puntos de datos, FFT también puede extraer las amplitudes de frecuencias más cercanas a las frecuencias de filtrado de los BPF. Cuantificamos la brecha entre las frecuencias de BPF y las frecuencias de las cuales se extrajeron las amplitudes en FFT y observamos que el error entre esas dos frecuencias aumenta drásticamente cuando usamos menos de 1024 puntos de datos (Fig. 2d). El proceso de cuantificación se describe en la Nota complementaria 2. Por lo tanto, establecemos el tamaño de muestra de 1024 para FFT en nuestro sistema.

Por lo tanto, decidimos utilizar 1024 puntos de datos para cada ciclo de FFT, lo que resultó en una frecuencia de muestreo de 725 Hz. Además, como se esperaba del principio de operación, la frecuencia de muestreo se mantuvo constante independientemente de la cantidad de módulos de detección utilizados (Fig. 2e). Esto indicó que la frecuencia de muestreo no se degradará aunque se empleen más módulos de detección en el conjunto.

También evaluamos la independencia de frecuencia de cada BPF, ya que es uno de los factores críticos que determina la funcionalidad de detección multitáctil. Se diseñó una configuración de prueba para aplicar una fuerza externa al sensor mientras se recopilan los datos de fuerza y los datos de salida del sensor simultáneamente. La fuerza externa podría aplicarse a un solo módulo de detección (un solo toque) o a múltiples módulos de detección (multitáctil) al mismo tiempo (Fig. 5c) cambiando el tipo de penetrador.

La Figura 2f muestra la respuesta del sensor cuando se aplicó la fuerza solo al módulo 3 como un ejemplo representativo (los datos para todo el conjunto están disponibles en la Figura complementaria 3). Las respuestas de los módulos 2 y 4 entre los 16 módulos también se presentaron para comparar, ya que los módulos adyacentes tienen más probabilidades de sufrir interferencias en un conjunto de sensores normal. La respuesta de cada módulo significa el cambio en la amplitud del voltaje de salida a la frecuencia de filtrado correspondiente. Cuando la fuerza externa se aplicó sólo al módulo 3, se observó que el módulo 3 respondió exclusivamente mientras que los módulos 2 y 4 permanecieron relativamente sin cambios. Además, la magnitud de la respuesta aumentó a medida que aumentó la magnitud de la fuerza aplicada.

Sin embargo, cuando se aplicó la fuerza a los 16 módulos simultáneamente, todos respondieron, como se muestra en la Fig. 2g (las respuestas de los 16 módulos están disponibles en la Fig. 4 complementaria). Para comparar la respuesta del sensor con la fuerza externa en situaciones de un solo toque y de múltiples toques, se trazaron las relaciones de fuerza a voltaje en ambos casos (Fig. 2h). Generalmente, el voltaje de salida aumentó con el aumento de la fuerza y alcanzó el pico cuando se aplicó la fuerza máxima. Cuando se eliminó la fuerza, el voltaje de salida volvió al valor inicial con histéresis45. Tanto en los experimentos de un solo toque como en los de múltiples toques, las respuestas del módulo 3 fueron casi idénticas, lo que indica que el rendimiento del sensor se mantuvo consistente con diferentes condiciones de carga.

Sondeando directamente a través del módulo sensor usando un multímetro digital, se examinó la relación entre la resistencia del módulo sensor y el voltaje de salida. La Figura 2i muestra una concordancia razonable entre la predicción teórica y el resultado experimental. Desde el aspecto de las matemáticas, la ecuación. (13), se espera que el voltaje de salida se sature debido a las características del circuito cuando la resistencia del sensor se vuelve extremadamente alta. Sin embargo, dentro del rango de resistencia de los módulos de detección en nuestro sistema (2–50 Ω, figura complementaria 6a), fue posible un mapeo claro 1 a 1 entre la resistencia del sensor y el voltaje de salida, lo que demuestra la viabilidad de la detección.

Una de las aplicaciones prometedoras de los sensores blandos son los dispositivos portátiles12,26,32,46,47,48. La impedancia mecánica del elastómero es similar a la de la piel humana, lo que contribuye a que el dispositivo se adapte fácilmente a la geometría compleja del cuerpo humano durante el funcionamiento49,50. El sistema de sensores propuesto se puede construir con una configuración de hardware simple (solo dos cables y un dispositivo operador portátil), lo que muestra particularmente una ventaja práctica cuando se aplica a dispositivos portátiles. Esta sección demuestra la viabilidad del sistema propuesto para diferentes dispositivos portátiles, como un sensor de dedo en forma de dedal para detectar presiones durante la manipulación diestra y un sensor de plantilla para detectar la presión del pie en el que el movimiento y la actividad del usuario se pueden analizar en función de la información adquirida por los sensores blandos.

La manipulación diestra de las manos humanas no sólo se logra mediante una actuación sofisticada de los músculos, sino también gracias a la capacidad de adquirir abundante información de los receptores sensoriales cutáneos. En particular, los contactos entre la mano humana y el objeto se producen principalmente en la punta de los dedos. En este caso, las yemas de los dedos detectan los contactos y aplican fuerzas sobre el objeto, y la medición de la distribución de la presión en la yema del dedo proporciona información clave sobre la interacción entre la mano y el objeto para una manipulación diestra.

De hecho, la mano humana es una de las partes del cuerpo que sufre más diversos tipos de situaciones de contacto, y la deformación de la yema del dedo también se produce en diferentes formas. Esto sugiere que cuando diseñamos sensores artificiales en las yemas de los dedos, construirlos con material blando puede ser crucial para imitar la funcionalidad de las yemas de los dedos. En este sentido, se han realizado muchos estudios que proponen diferentes diseños de sensores blandos en la punta de los dedos para aplicaciones robóticas51,52. Sin embargo, la mayoría de ellos hechos de materiales blandos han mostrado sólo un número limitado de modalidades de detección, ya que acomodar una cantidad de módulos de detección en un área tan pequeña ha sido uno de los mayores desafíos. Sin embargo, en nuestro enfoque, podemos disponer múltiples módulos de detección con una configuración de hardware altamente eficiente dentro de un área limitada, lo que ofrece una gran ventaja cuando el sensor se aplica a robots o manos humanas.

Se diseñó un sensor de dedal blando colocando cinco módulos de detección en la punta del dedo: dos en el frente, dos en los lados (uno en cada lado) y uno en la parte superior (Fig. 3a). Se agregaron protuberancias de elastómero en cada módulo de detección para una transmisión de fuerza eficiente. La matriz de sensores se fabricó primero con un sustrato plano mediante un proceso de impresión directa, y luego la capa plana del sensor se enrolló y fijó usando un adhesivo de silicona (AXIA-2700, AXIA) para darle la forma de un dedal (Fig. 3b). ). Se prepararon dos tipos de sensores de punta de los dedos con diferentes tamaños para el pulgar y para el dedo índice o medio (Fig. 3c). Probamos los sensores de las yemas de los dedos para diferentes tareas de manipulación para evaluar la interacción entre la mano del usuario y el objeto a manipular.

a configuración 2D antes de ser enrollado, b prototipos completos usados en el pulgar y el índice, yc numeración de los módulos de detección. d Experimento de dibujo a lápiz y e el resultado. f Experimento de vertido de agua y g el resultado. h Experimento de empujar y apretar y i el resultado.

La primera tarea de manipulación es dibujar con bolígrafo. Se prepararon tres sensores en las yemas de los dedos: pulgar, índice y corazón. El usuario dibujó un cuadrado de 2 cm en papel con un bolígrafo, siguiendo la trayectoria predefinida, que se muestra en la Fig. 3d. Los datos de salida de los tres sensores se registraron durante la tarea.

La Figura 3e muestra las respuestas de los sensores de los tres sensores de la punta de los dedos. El sensor del pulgar dio la respuesta más alta y el sensor del dedo medio la más baja, indicando los niveles de contribución de los tres dedos al dibujo. Para la primera línea en la Fig. 3d, la punta del bolígrafo se movió verticalmente hacia abajo y el dedo índice aplicó la mayor parte de la fuerza para dibujar al bolígrafo mientras el pulgar sostenía el bolígrafo, mostrando señales de salida altas para los dos dedos. Para la segunda línea, el pulgar y el índice aplicaron una fuerza aún mayor al bolígrafo para tirarlo hacia los lados. Los dos dedos liberaron la fuerza para la tercera línea y finalmente solo el dedo medio aplicó fuerza para dibujar la cuarta línea.

El resultado de la prueba de dibujo con bolígrafo mostró que el sensor propuesto era capaz de medir las fuerzas táctiles en las yemas de los dedos durante movimientos de manipulación dinámica. También queríamos comprobar el rendimiento de nuestro sensor en una situación en la que las condiciones de carga cambiaban gradualmente. Los sensores de las yemas de los dedos se usan en el pulgar y el índice, y el usuario sostuvo una jarra de agua vacía hasta que se llenó con agua y luego la vertió para vaciar la jarra nuevamente, como se muestra en la Fig. 3f.

Durante la tarea, el pulgar presionaba la parte superior del asa de la jarra y los otros cuatro dedos envolvían el asa. Cabe señalar que durante esta manipulación se comprimieron múltiples áreas del dedal del dedo índice. El frente y un lado de la yema del dedo hicieron contacto con el asa para sostener la jarra, mientras que el otro lado fue comprimido por el dedo medio. Por lo tanto, la mayoría de los módulos de detección (1, 2, 3 y 5) dieron salidas para el dedo índice, mientras que solo los módulos 3 y 4 mostraron respuestas para el pulgar (Fig. 3g). Los voltajes de salida aumentaron a medida que se vertía agua en la jarra. Las señales de salida luego fluctuaron cuando el usuario inclinó la jarra para vaciar el agua y, finalmente, la salida disminuyó durante el vertido del agua.

La tarea final es la manipulación con una fuerza concentrada con la yema del dedo. En este experimento, el usuario realizó la tarea de bombear una botella con tapa dispensadora empujando la tapa a presión para bombear el líquido con el dedo índice mientras sujetaba la botella con el pulgar y los otros dedos de la misma mano, como se muestra. en la figura 3h. Los sensores estaban en el dedo índice y el pulgar.

La salida del sensor del dedo índice aumentó linealmente durante el movimiento de bombeo (Fig. 3i). Cuando terminó el bombeo, la salida del sensor dejó de aumentar y, en cambio, fluctuó debido a la fuerza aplicada continuamente por el usuario. Se observó que la ubicación de contacto principal en el dedo índice se movió del módulo 3 al módulo 4 durante dos tiempos de bombeo. Las señales del sensor del pulgar fueron más consistentes que las del sensor del dedo índice en los dos experimentos.

Otra área de aplicación en dispositivos portátiles, en la que el sistema de detección propuesto es muy útil, es la detección de la presión del pie en forma de plantilla. Un cuerpo humano está sostenido por las plantas durante la locomoción, y medir la distribución de presión sobre una planta refleja el movimiento del centro de gravedad (COG), que es fundamental en diversas aplicaciones biomecánicas, como el análisis del patrón de la marcha, la estimación de la fase de la marcha y la marcha. asistencia53,54,55. Las plantillas experimentan cargas continuas y repetidas en general y requieren robustez física si se incorpora algún componente electrónico, por lo que la reducción del número de cables de señal será muy beneficiosa en esta aplicación. Dado que la geometría típica de una suela es la complicada estructura 3D compuesta por una región convexa y cóncava, fabricar el sensor de plantilla con material blando es ventajoso ya que el sensor se adaptará de forma más natural a la suela. Además, considerando que el sensor se utilizará en situaciones de locomotora donde se debe enfatizar la portabilidad del dispositivo, el hecho de que incluyamos nuestro sistema con un operador de tamaño compacto hace que la aplicación sea muy adecuada.

Los nueve módulos de detección se diseñaron individualmente para cubrir toda el área de presión de la suela, y se agregaron almohadillas de elastómero con diferentes formas encima de los módulos de detección para amplificar las señales de presión (Fig. 4a). Los inductores y los condensadores se ubicaron en el área del arco medial donde se aplica una presión mínima durante todo el período de la marcha para evitar alteraciones inesperadas de la señal (Fig. 4b). Sólo se conectaron dos cables de señal a través del talón (Fig. 4c). La longitud de la plantilla sensora del prototipo era de 280 mm. Los prototipos se colocaron en el interior de los zapatos y los perfiles de presión de ambos pies del usuario se midieron en una cinta de correr comercial equipada con un cinturón sensor de presión (Pressure Distribution Treadmills, Zebris Medical GmbH) (Fig. 4d).

a Vistas inferior y superior del sensor de plantilla con los números de módulo y las dimensiones. b Configuración experimental para el sensor de plantilla que consta de una cinta de correr comercial y un sistema de monitoreo. c Fotografía en primer plano de la electrónica del sensor de plantilla. d Zapatos equipados con sensores de plantilla para el experimento. e Datos del sensor de plantilla adquiridos durante un ciclo de marcha. f Visualización de la distribución de presión medida por el cinturón sensor de presión en la cinta de correr y g la presentación visual correspondiente de los perfiles de presión medidos por el sensor de plantilla para comparación.

La Figura 4e muestra los datos del sensor durante un solo ciclo de marcha, que representa el movimiento del COG dentro de cada área del pie, de atrás hacia adelante, y se visualizaron en el espacio 3D, como se muestra en la Figura 4g. La Figura 4f muestra los perfiles de presión de referencia medidos por la cinta de correr para comparar. Los datos de la plantilla mostraron una concordancia razonable con los perfiles de presión adquiridos por la cinta de correr.

Se propuso y demostró un concepto para conjuntos de sensores blandos con una configuración de hardware extremadamente simple. El sistema propuesto utiliza frecuencias únicas asignadas individualmente a los módulos de detección para adquirir las salidas de los sensores correspondientes a través de una única línea de señal común. Cada módulo sensor está equipado con un BPF compuesto por un inductor, un condensador y una resistencia variable hecha de un canal de microfluidos lleno de metal líquido a temperatura ambiente. Todos estos componentes tienen una forma compacta incrustada en una lámina de elastómero altamente deformable, lo que suaviza todo el conjunto de sensores. El cambio de resistencia en cada módulo se refleja en la amplitud de la onda sinusoidal que pasa a través del BPF. Diseñar la señal de entrada como un compuesto de ondas con múltiples frecuencias permite la detección simultánea de múltiples módulos sin degradar la velocidad de muestreo. El sistema propuesto recibe toda la información del sensor en tiempo real en el dominio de la frecuencia en lugar de barrer todos los módulos mediante conmutación eléctrica o mecánica, lo que hace que la frecuencia de muestreo no se vea afectada por la cantidad de módulos de detección y dependa únicamente del rendimiento del procesador. y el algoritmo de cálculo. Logramos una frecuencia de muestreo de 725 Hz en nuestro sistema independientemente del número de módulos, que se espera que aumente aún más mejorando el algoritmo o actualizando la potencia informática. Además, el sistema propuesto utiliza siempre sólo dos líneas de señal, lo que hace que la configuración física sea extremadamente simple independientemente del número de módulos de detección.

El sistema propuesto fue probado para aplicaciones prácticas en forma de dispositivos sensores portátiles, aprovechando el cumplimiento físico junto con la configuración simple del hardware. El primer ejemplo de aplicaciones fue un sensor de punta de dedo para estimar los perfiles de fuerza aplicados a las yemas de los dedos durante diversas tareas de manipulación diestra con diferentes objetos, como dibujar con un bolígrafo, verter agua y bombear una botella con tapa dispensadora. En el segundo ejemplo, pudimos demostrar el seguimiento de los perfiles dinámicos de presión del pie desde ambos pies durante un ciclo de marcha. Se han realizado investigaciones activas sobre la predicción y estimación del estado de las interacciones físicas entre humanos y robots/máquinas para aplicaciones en las áreas de robótica, háptica, control remoto, rehabilitación, realidad aumentada o virtual. Creemos que este estudio abrirá un espacio en estas áreas al ofrecer un esquema innovador para utilizar una serie de sensores con una configuración de hardware significativamente simplificada.

La Figura 5b muestra la arquitectura general del sistema de sensores. El factor más crucial para lograr la detección multitáctil es la independencia de cada BPF. En esta sección se presenta el esquema práctico para estimar el desempeño de las especificaciones de los inductores y capacitores. Para evitar la diafonía entre BPF, para cada frecuencia de filtrado, la impedancia del BPF correspondiente debe minimizarse mientras se mantiene la impedancia de los otros BPF relativamente alta de modo que la cantidad de corriente que fluye a través de los otros BPF se vuelva razonablemente insignificante. Idealmente, cuando una corriente alterna (CA) con frecuencia de resonancia fluye a través de un BPF, la impedancia del BPF debería corresponder a la resistencia del módulo sensor. Sin embargo, en realidad, existen resistencias en serie parásitas en el inductor y el condensador, que hacen que la impedancia real sea mayor y tengan un impacto negativo en la concentración de corriente. Por tanto, es necesario elegir los inductores y los condensadores con resistencias parásitas aceptables.

a Proceso de fabricación del conjunto de sensores propuesto. b Descripción del circuito sensor con protocolo de procesamiento de datos. c Configuración de prueba para la caracterización del sensor con las fotografías de los penetradores utilizados para experimentos de detección de un solo toque y múltiples toques.

Un inductor suele ser un devanado de un cable largo, lo que implica un cierto nivel de resistencia a partir de la relación de aspecto multiplicada por la resistividad del material. Sin embargo, cuando una CA de alta frecuencia (~1 MHz) pasa a través del inductor, la resistencia real incluso aumenta mediante comportamientos electromagnéticos, como el efecto piel. En este caso, el valor de la resistencia en serie equivalente (ESR) es función de la frecuencia de la corriente aplicada al inductor y también varía según las muestras del inductor, por lo que es un desafío estimar la ESR del inductor con precisión en función de las especificaciones.

Sin embargo, al utilizar el factor de calidad (factor Q) proporcionado en la hoja de datos del inductor, podemos evaluar de manera conservadora la ESR del inductor. El factor Q de un inductor se define como:

donde QL es el factor Q para el inductor, L es la inductancia, RL es la ESR del inductor y ωM es la frecuencia de la corriente utilizada para evaluar el factor Q, que se proporciona junto con el factor Q en la hoja de datos. Además, el valor del factor Q varía según la muestra y la hoja de datos ofrece el valor mínimo del factor Q. Por tanto, podemos estimar el valor máximo de ESR del inductor como:

De manera similar, los valores máximos de ESR de los capacitores se pueden calcular como:

Finalmente, sumando los dos valores, podemos obtener una estimación conservadora de la resistencia en serie parásita de los BPF:

A partir de los valores de las ESR parásitas de los electrodos, podemos evaluar qué tan exclusivamente pasa la corriente a través del BPF para cada frecuencia. La frecuencia de resonancia (o la frecuencia de filtrado) del iésimo BPF se puede calcular como:

donde ωi es la frecuencia de resonancia del i-ésimo BPF, Li y Ci son la inductancia y la capacitancia en el i-ésimo BPF, respectivamente. Luego, cuando el componente actual con la frecuencia de ωi pasa por el j-ésimo BPF, la impedancia del j-ésimo BPF se vuelve como:

donde \(R_j^S\) es la resistencia del j-ésimo módulo sensor que tiene su valor nominal alrededor de 2 Ω sin ninguna fuerza externa y muestra aproximadamente 50 Ω del valor máximo cuando se aplica la fuerza (consulte la figura complementaria 5a). Aquí, se puede definir un nuevo factor de concentración de corriente (CCF) variable asumiendo la resistencia máxima del sensor para el i-ésimo BPF y los estados de reposo para los otros BPF, para representar la distinción de los BPF, como:

Los CCF deben tener valores entre 0 y 1. Como el sistema está compuesto por BPF que tienen valores de CCF más cercanos a 1, la matriz de sensores mostrará menos interferencias entre los módulos de detección y mejorará el rendimiento de la detección multitáctil. La estimación numérica de las ESR y los CCF para todos los BPF se presenta en la Tabla complementaria 1.

En la implementación práctica, existe un límite funcional en la frecuencia máxima que puede generar el dispositivo operador (10 MHz). Por lo tanto, es mejor utilizar rangos de frecuencia tan bajos como sea posible para acomodar más filtros (es decir, más módulos sensores), que requieren un valor LC alto, como se puede calcular en la ecuación. (6). Sin embargo, una inductancia o capacitancia alta aumenta el tamaño de los electrodos, lo que dificulta la construcción de un sistema con un factor de forma compacto. Teniendo en cuenta las compensaciones anteriores, los valores de inductancia y capacitancia se establecieron como se muestra en la Tabla complementaria 1.

La impedancia del i-ésimo BPF cuando se aplica la señal de onda correspondiente se puede calcular en la ecuación. (10), que puede aproximarse como:

bajo el supuesto de que la impedancia de CA del inductor y el capacitor es insignificante. El voltaje de salida del circuito refleja los cambios en la resistencia del canal EGaIn causados por la fuerza de contacto aplicada al sensor56,57. La relación entre el voltaje de salida y el cambio de resistencia del módulo sensor se puede calcular como las Ecs. (11)–(13). El cambio de resistencia desde el valor inicial se puede expresar como una función del cambio en el voltaje de salida (Ec. (13)), y su relación se muestra en la Fig. 2c con puntos rojos. Se utilizó un programa de simulación electrónica analógica (LT Spice, Analog Devices, Inc.) para confirmar las características del circuito antes de fabricar un prototipo real.

La Figura 5a muestra el proceso de fabricación de la matriz de sensores. Se recubrió por rotación una mezcla de dos tipos de elastómero de silicona (Dragon Skin 30 y Ecoflex 30, Smooth-On) sobre un sustrato plano. Después del curado, el patrón de EGaIn se imprimió directamente sobre el sustrato, utilizando un dispensador de líquido neumático (Super Sigma CM III, Musashi), para los módulos de detección y las interconexiones. En cada terminal del patrón EGaIn, el dispensador fue programado para generar una gota de EGaIn para una conexión estable a la electrónica, incluidos los inductores y los condensadores. Para lograr una alta tasa de rendimiento durante este proceso de modelado, el elastómero se tiñó preliminarmente en blanco, lo que proporciona una reflectividad constante para el sensor de distancia láser en el sistema dispensador (Fig. 1d). Los patrones de EGaIn se imprimieron a una velocidad de 3 mm s-1 con una distancia de separación de la boquilla de 0,2 mm. El ancho del patrón EGaIn es ~0,25 mm (Fig. 1d) y la resistencia inicial del patrón EGaIn para cada módulo de detección es ~2 Ω. Se colocaron inductores de tipo dispositivo montado en superficie (bobina de chip serie LQH32NH, MURATA) y condensadores (dieléctrico C0G (NP0), AVX) sobre el sustrato de elastómero alineados con los patrones de EGaIn después de aplicar epoxi conductor a sus electrodos (Fig. 5a). Esto no solo resuelve el problema de la resistencia de contacto entre EGaIn y los electrodos rígidos, sino que también contribuye a un posicionamiento estable al agregar una pequeña adhesión antes de la encapsulación de los patrones de EGaIn y la electrónica con elastómero sin curar vertido encima. La matriz de elastómero cura completamente en 1 día a temperatura ambiente.

La forma de onda de entrada fue generada por un dispositivo de operador comercial (Analog Discovery 2, Digilent) en forma de una combinación de ondas sinusoidales con 16 frecuencias de resonancia en la Tabla complementaria 1, con una velocidad de generación de 10 MHz. Las amplitudes de todas las ondas sinusoidales son idénticas y están configuradas para coincidir con 2 V pico a pico después de armonizarse para permanecer dentro de la amplitud máxima que el dispositivo operador puede generar. El voltaje a través de una resistencia de referencia de 20 Ω se recopiló con la frecuencia de muestreo sincronizada con la velocidad de generación de la onda de entrada. Se realizó FFT para cada conjunto de 1024 mediciones de voltaje (Fig. 5b), e incluido el cálculo para extraer las amplitudes para cada frecuencia de filtrado, la velocidad de detección para escanear 16 módulos de detección fue de 725 Hz. Utilizando 1024 puntos de datos para FFT, la amplitud se calculó con incrementos de 9,77 kHz en el dominio de la frecuencia, lo que resultó en <5,5% del error de frecuencia de las frecuencias de filtrado utilizadas en el sistema propuesto. El sistema se operó utilizando un código Python personalizado compuesto por la biblioteca de interfaz para el dispositivo del operador y un proceso informático FFT. La presentación visual se preparó vinculando el código con un programa de renderizado 3D de código abierto (Blender).

La configuración de caracterización se diseñó instalando una celda de carga (RFT60-HA01, Robotous) en una etapa xyz motorizada (Fig. 5c). Los penetradores para experimentos de un solo toque y multitáctil se imprimieron en 3D (Object 30, Stratasys) con un material plástico fotocurable (VeroBlack, Stratasys). La forma de la punta del penetrador se diseñó como un hemisferio con un diámetro de 5 mm, y el penetrador para el experimento multitáctil se preparó disponiendo múltiples puntas en una matriz de 4 por 4, teniendo el mismo tamaño que el prototipo del sensor (Fig. 5c).

Se aplicó una fuerza normal controlando la posición del escenario motorizado. Para el experimento de un solo toque, la fuerza se aplicó con cinco magnitudes diferentes con dos repeticiones para cada paso de fuerza a una velocidad de 0,083 Hz que estaba determinada por el límite de velocidad de la plataforma motorizada. La respuesta del sensor para una velocidad de carga más rápida también se investigó utilizando una configuración personalizada y el resultado se presenta en la figura complementaria 6b. La fuerza de entrada estuvo en el rango de 15 a 20 N, y la fuerza varió según las muestras, ya que cada módulo de detección tiene una geometría microscópica diferente.

La velocidad de carga se redujo en el experimento multitáctil (0,047 Hz) ya que se tuvo que aplicar una fuerza mayor (200 N) a la celda de carga. La fuerza aplicada a los módulos individuales se calculó dividiendo la medición de la fuerza por el número de módulos sensores. La resistencia en la Fig. 2g se midió sondeando directamente los cables a través del módulo sensor 3, usando un multímetro digital (Fluke 8846A, Fluke Corp).

Todos los datos relevantes que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles a través de los autores previa solicitud razonable.

Todos los códigos relevantes que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles a través de los autores previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue financiado en parte por la Fundación Nacional de Investigación (NRF) (Subvención No.: NRF-2016R1A5A1938472) y el Instituto de Planificación y Evaluación de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (IITP) (Subvención No.: 2021-0-00896), ambos financiados por del Gobierno de Corea (MSIT), y en parte por el Programa de Innovación Tecnológica (Subvención No.: 20008912) también financiado por el Gobierno de Corea (MOTIE).

Estos autores contribuyeron igualmente: Junhyung Kim, Suhan Kim.

Departamento de Ingeniería Mecánica, Instituto de Diseño y Máquinas Avanzadas, Instituto de Investigación en Ingeniería, Universidad Nacional de Seúl, Seúl, 08826, República de Corea

Junhyung Kim y Yong-Lae Park

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, Laboratorio de Investigación en Electrónica, Instituto de Tecnología de Massachusetts, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA, 02139, EE. UU.

Suhan Kim

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SK propuso la idea principal del sistema. JK implementó el sistema. JK y SK concibieron los experimentos y diseñaron las aplicaciones. JK realizó los experimentos y recopiló los datos. JK y SK analizaron los datos. Todos los autores escribieron el artículo. SK produjo las cifras. YLP dirigió la investigación general, proporcionó orientación intelectual y técnica, y organizó y escribió el manuscrito. Todos los autores discutieron los resultados y comentaron el manuscrito.

Correspondencia al parque Yong-Lae.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Kim, J., Kim, S. y Park, YL. Sistemas de sensores suaves multitáctiles de entrada única y salida única que utilizan filtros de paso de banda. npj Flex Electron 6, 65 (2022). https://doi.org/10.1038/s41528-022-00201-8

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Recibido: 27 de diciembre de 2021

Aceptado: 15 de julio de 2022

Publicado: 29 de julio de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-022-00201-8

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