超薄型、バッテリー不要、ワイヤレスデータ通信を備えたセンサー

シンガポール国立大学（NUS）の研究チームは、超薄型でバッテリー不要、ワイヤレスデータ通信を備えたセンサーを発表しました。

センサーは産業用ロボットアームの安全性と精度の向上に寄与し、様々な分野に転用される事が

A research team from NUS, led by Assistant Professor Chen Po-Yen, has taken the first step towards improving the safety and precision of industrial robotic arms by developing a new range of nanomaterial strain sensors that are 10 times more sensitive when measuring minute movements, compared to existing technology.

参照元：https://news.nus.edu.sg/ultra-thin-and-highly-sensitive-strain-sensors/
– シンガポール国立大学 National University of Singapore. 15 December 2020 –

シンガポール国立大学（NUS）の研究チームは、Chen Po-Yen助教が率い、10倍の新しい範囲のナノ材料ひずみセンサーを開発することにより、産業用ロボットアームの安全性と精度の向上に向けた第一歩を踏み出しました。

既存の技術と比較して、微細な動きを測定する際の感度が高くなります。

MXenesと呼ばれる柔軟で伸縮性のある導電性ナノ材料を使用して製造された、NUSチームによって開発されたこれらの新しいひずみセンサーは、超薄型、バッテリー不要で、ワイヤレスでデータを送信できます。

これらの望ましい特性により、新しいひずみセンサーは幅広いアプリケーションに使用できる可能性があります。

NUS化学生体分子工学科のChen助教は話します。

「従来のひずみセンサーの性能は、使用するセンシング材料の性質によって常に制限されており、ユーザーは特定のアプリケーション向けにセンサーをカスタマイズするオプションが限られています。」

「この作業では、MXenesの表面テクスチャを制御するための簡単な戦略を開発しました。」

「これにより、さまざまな柔らかい外骨格のひずみセンサーの検出性能を制御できるようになりました。この作業で開発されたセンサー設計原理により、電子スキンの性能が大幅に向上します。」

新しいひずみセンサーを有効に活用できる分野の1つは、マイクロチップなどの壊れやすい製品の製造など、ロボットアームを使用して複雑なタスクを実行する精密製造です。

NUSの研究者によって開発されたこれらのひずみセンサーは、電子スキンのようなロボットアームにコーティングして、伸ばされたときの微妙な動きを測定できます。

これらのひずみセンサーをロボットアームの関節に沿って配置すると、システムは、ロボットアームがどれだけ動いているか、および静止状態に対する現在の位置を正確に把握できます。

現在の既製のひずみセンサーには、この機能を実行するために必要な精度と感度がありません。

精密製造で使用される従来の自動ロボットアームでは、位置と動きを追跡するために、さまざまな角度からそれらに向けられた外部カメラが必要です。

NUSチームによって開発された超高感度ひずみセンサーは、1度未満の許容誤差で正確な動きに関する自動フィードバックを提供することでロボットアームの全体的な安全性を向上させ、外部カメラがなくても位置と動きを追跡できるため、外部カメラの必要性を排除します。

Realtekシンガポールの会長であるYehPo-Leh博士は話します。

「RealtekSingaporeがNUSのChenPo-Yen助教授と彼のチームと協力して、ソフトロボットと産業用ロボットアームに適用可能なワイヤレスセンサーモジュールの開発を行うことは大きな喜びです。」

「当社が共同開発した、顧客指定のセンシング性能を備えたワイヤレスセンサーロボットが高精度の動作を実行できるようにし、フィードバックセンシングデータをワイヤレスで送信できるようにします。」

「これは、ワイヤレススマートファクトリーでのRealtekシンガポールのアプローチと一致します。」

技術的な進歩は、NUSの研究者が、高い信号対雑音比を備えた広い作業ウィンドウ上で高度にカスタマイズ可能な超高感度センサーを作成できるようにする製造プロセスの開発です。

センサーの作業ウィンドウは、センサーの品質を維持しながらどれだけ伸ばすことができるかを決定し、高い信号対雑音比を持つことは、センサーがロボットアームの微妙な振動と微小な動きを区別できるため、より高い精度を意味します。

この製造プロセスにより、チームは、高感度と信号対雑音比を維持しながら、センサーを0〜900パーセントの任意の作業ウィンドウにカスタマイズできます。

標準センサーは通常、最大100パーセントの範囲を達成できます。

NUSの研究者は、複数のセンサーを異なる作業ウィンドウと組み合わせることで、他の方法では実現できない単一の超高感度センサーを作成できます。

研究チームはこの画期的な開発に2年を要し、2020年9月に科学雑誌ACS Nanoに研究成果を発表しました。

また、ソフトロボットリハビリグローブにソフト外骨格を適用するための実用的なプロトタイプもあります。

NUS生物医学工学部のソフトロボティクスラボを率い、国立ロボティクスR＆Dプログラムオフィスの下でソフトおよびハイブリッドロボティクスプログラムを率いるレイヨー准教授は話します。

「これらの高度なフレキシブルセンサーは、ソフトウェアラブルロボットに、特に可動域の観点から、患者の運動能力を感知する重要な機能を提供します。これにより、ソフトロボットは最終的に患者の能力をよりよく理解し、手の動きに必要な支援を提供できるようになります。 」

チームはまた、センサーの機能を改善し、シンガポール総合病院と協力して、リハビリテーション用のソフト外骨格ロボットおよび経口ロボット手術用の外科用ロボットへの応用を模索しています。

シンガポール総合病院の耳鼻咽喉科のシニアコンサルタントであるLim ChweeMing博士は説明します。

「外科医として、私たちは視覚だけでなく触覚にも依存して、手術を行う体内の領域を感じます。たとえば、癌性組織は、正常で健康な組織とは異なる感じがします。」

「超薄型ワイヤレスを追加することにより、体性感覚モジュールを長いロボットツールに感知することで、手が届かない領域に到達して操作でき、開腹手術を必要とせずに組織の硬さを「感じる」可能性があります。」