Одинокий

npj Flexible Electronics, том 6, номер статьи: 65 (2022 г.) Цитировать эту статью

Доступы 1864 г.

Подробности о метриках

Во многих системах мягких датчиков внешние провода для подключения датчиков к цепям управления создают практические проблемы с точки зрения компактных форм-факторов и физической прочности. В этом исследовании предлагается конструкция мягких сенсорных матриц, которые могут работать с радикально уменьшенным количеством проводов без ухудшения исходных характеристик. Предлагаемая концепция представляет собой массив модулей мягкого считывания, каждый из которых состоит из индуктора и конденсатора, встроенных рядом с модулем резистивного считывания, образующих полосовой фильтр резистор-индуктор-конденсатор. Путем регулировки значений емкости и индуктивности каждому сенсорному модулю назначается уникальная полоса частот, что позволяет осуществлять четкое обнаружение с использованием только двух внешних проводов независимо от количества модулей. Функциональность системы мультисенсорного распознавания аналитически смоделирована и экспериментально охарактеризована. Используя преимущества конструкции, в качестве практического применения демонстрируются тактильный датчик на кончике пальца и датчик давления стельки стопы.

Последние достижения в области технологий гибкой и растяжимой электроники привели к появлению различных новых применений мягких датчиков в области искусственной кожи1,2,3,4,5,6,7,8 или носимых роботов9,10,11,12,13,14, используя их механическую податливость, которая облегчает физическое соответствие датчиков поверхностям структур-хозяев различной формы15,16,17. Роботизированной системе часто требуется несколько датчиков для получения достаточного объема данных, а массив датчиков с компактной интеграцией не только может охватывать большую область интереса, но и обеспечивает высокое пространственное разрешение18,19,20,21,22,23. 24. Однако несколько электронных компонентов, составляющих массив датчиков, обычно требуют более сложной аппаратной конфигурации25,26,27. В частности, в мягких датчиках наличие нескольких сигнальных проводов вызывает практические проблемы, такие как механическая хрупкость, физические помехи между соседними проводами и сложность системы. Тем не менее, в исследованиях мягких сенсоров этот вопрос до сих пор серьезно не учитывался, несмотря на его практическую значимость.

В частности, провода в мягкой роботизированной системе создают физические ограничения, когда система испытывает большие динамические движения. В этом случае провода должны быть достаточно длинными, чтобы покрывать пространство конфигурации, не мешая другим компонентам и не запутываясь сами. Более того, в типичных мягких робототехнических системах механические соединения между мягкими датчиками и обычными проводами обычно являются наиболее хрупкими областями из-за физических границ между жесткими и мягкими материалами с высокими концентрациями напряжений28. Это становится более проблематичным, когда несколько датчиков реализованы в виде массива, который неизбежно содержит более сложные проводные соединения. Кроме того, ремонт проводов в мягких системах часто требует утомительного ручного процесса, а иногда из-за сбоев в проводке приходится заменять весь массив.

Самый простой способ решить эти проблемы — использовать меньше проводов, чтобы свести к минимуму вероятность сбоев в проводах или соединениях. Ранее существовало несколько подходов к созданию массивов мягких датчиков с уменьшенным количеством проводов. Одним из наиболее распространенных методов является последовательное соединение всех сенсорных модулей с линией питания и добавление сигнальных проводов к узлам между соседними модулями1,29. Однако этот подход требует как минимум того же количества сигнальных проводов, что и датчики, и он становится еще менее практичным, если используется большое количество датчиков. Хотя можно использовать мультиплексор для проверки выходных сигналов через модули30,31, время обработки ухудшается с увеличением количества датчиков. Другой подход заключается в настройке массива датчиков в виде сетки с несколькими слоями32,33. По сравнению с последовательным соединением при использовании сетки обычно используется меньше проводов при увеличении количества сенсорных модулей. Однако сенсорные матрицы сетчатого типа часто страдают от эффекта призрачных клавиш, не обеспечивая полную функциональность мультитач. Хотя эффект призрачного ключа можно устранить с помощью дополнительного диода или мультиплексора, он увеличивает сложность системы, а также форм-фактор26,27. Недавно было проведено исследование по отслеживанию нескольких мягких датчиков с помощью провода с одним выходом с использованием машинного обучения34,35, которое, однако, требует процесса обучения с относительно большим объемом данных. Предполагая, что каждому сенсорному модулю требуется один вход и один выход, на дополнительном рисунке 1 численно сравнивается количество проводов, необходимых для каждого подхода, с количеством сенсорных модулей.