Nova Pele Eletrônica com Cabelos Artificiais Detecta e Antecipa Toque Multidirecional

Uma equipe de pesquisa de Chemnitz e Dresden deu um grande passo à frente no desenvolvimento de pele eletrônica sensível (e-skin) com cabelos artificiais integrados. E-skins são sistemas eletrônicos flexíveis que tentam imitar a sensibilidade de suas contrapartes de pele humana natural. Aplicações variam de substituição de pele e sensores médicos no corpo a pele artificial para robôs humanoides e androides.

Pequenos pelos de superfície podem perceber e antecipar a mais leve sensação tátil na pele humana e até reconhecer a direção do toque. Sistemas modernos de pele eletrônica carecem desta capacidade e não podem reunir esta informação crítica sobre sua vizinhança.

A equipe de pesquisa explorou uma nova via para desenvolver sensores de campo magnético 3D extremamente sensíveis e dependentes de direção que podem ser integrados em um sistema de e-skin (matriz ativa). A equipe usou uma abordagem completamente nova para miniaturização e integração de arranjos de dispositivos 3D e deu um grande passo em direção a imitar o toque natural da pele humana. Os pesquisadores relataram seus resultados no jornal Nature Communications.

Christian Becker, primeiro autor do estudo, disse: "Nossa abordagem permite um arranjo espacial preciso de elementos de sensor funcionais em 3D que podem ser produzidos em massa em um processo de manufatura paralela. Tais sistemas de sensores são extremamente difíceis de gerar por métodos estabelecidos de microfabricação eletrônica."

O núcleo do sistema de sensor apresentado pela equipe de pesquisa é um sensor de magnetorresistência anisotrópica (AMR). Um sensor AMR pode ser usado para determinar precisamente mudanças em campos magnéticos. Atualmente são usados, por exemplo, como sensores de velocidade em carros ou para determinar a posição e ângulo de componentes móveis em uma variedade de máquinas.

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Para desenvolver o sistema de sensor altamente compacto, os pesquisadores aproveitaram o chamado "processo de micro-origami". Este processo é usado para dobrar componentes de sensor AMR em arquiteturas tridimensionais que podem resolver o campo vetorial magnético em três dimensões.

Micro-origami permite que um grande número de componentes microeletrônicos caibam em um pequeno espaço e os organizem em uma geometria que não é alcançável por quaisquer tecnologias convencionais de microfabricação. "Processos de micro-origami foram desenvolvidos há mais de 20 anos, e é maravilhoso ver como o potencial total desta tecnologia elegante pode agora ser explorado para novas aplicações microeletrônicas," disse Prof. Oliver G. Schmidt.

A equipe de pesquisa integrou o arranjo de sensor magnético 3D de micro-origami em uma única matriz ativa, onde cada sensor individual pode ser convenientemente endereçado e lido por circuitos microeletrônicos. "A combinação de sensores magnéticos de matriz ativa com arquiteturas de micro-origami auto-montáveis é uma abordagem completamente nova para miniaturizar e integrar sistemas de detecção 3D de alta resolução," disse Dr. Daniil Karnaushenko, que contribuiu decisivamente para o conceito, design e implementação do projeto.

A equipe de pesquisa conseguiu integrar os sensores de campo magnético 3D com pelos finos enraizados magneticamente em uma e-skin artificial. A e-skin é feita de um material elastomérico no qual a eletrônica e sensores são embutidos — similar à pele orgânica, que é entrelaçada com nervos.

Quando o pelo é tocado e dobra, o movimento e a posição exata da raiz magnética podem ser detectados pelos sensores magnéticos 3D subjacentes. A matriz de sensores é, portanto, não apenas capaz de registrar o movimento nu do pelo, mas também determina a direção exata do movimento. Como com a pele humana real, cada pelo em uma e-skin se torna uma unidade de sensor completa que pode perceber e detectar mudanças na vizinhança.

O acoplamento magneto-mecânico entre sensor magnético 3D e raiz de pelo magnético em tempo real fornece um novo tipo de percepção sensível ao toque. Esta capacidade é de grande importância quando humanos e robôs trabalham juntos de perto. Por exemplo, o robô pode sentir interações com um companheiro humano com bastante antecedência com muitos detalhes logo antes de um contato intencional ou colisão não intencional estar prestes a ocorrer.