【詳細解説】伸縮性触覚センサーにおける3Dプリントの応用例

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-5-18 15:24 に最後に編集されました。

最近、ミネソタ大学のマイケル・C・マカルパイン教授が、チームの最新の研究成果「3Dプリント伸縮性触覚センサー」をAdv. Mater.誌に発表した。Antarctic Bearも以前、この件について報じたばかりだ。指先に3Dプリントされたセンサーが取り付けられることで、将来のロボットはより洗練されたものになるだろう。研究者らは、マルチマテリアル、マルチスケール、マルチ機能の 3D 印刷方法を使用して、自由表面上に 3D 触覚センサーを処理および生成したと報告されています。パーソナライズされた触覚センサーは、脈拍のモニタリングや指の動きなど、人間の動作状態を検出して区別する機能を備えています。パーソナライズされた 3D 印刷技術を使用して機能性材料やデバイスを製造することで、ウェアラブル電子システムのさまざまなセンサーの生体適合性を最適化し、バイオニックスキンの応用に向けた新たな道を切り開くことができます。次に、Antarctic Bear が原理と応用について詳しく説明します。

図 1. 触覚センサーの設計原理と 3D 印刷プロセスの概略図。(a) 触覚センサーの構成の概略図: 基板層、上部電極と下部電極、絶縁層、センサー層、サポート層。
(b) 触覚センサーの側面図。
(c) 触覚センサーの上面図。
(d) ガラス基板上に触覚センサーを3Dプリントするプロセス。8つのステップを含む。
ステップI：面積16mm2の正方形のシリコンベース層を印刷します。
ステップ II: 75 wt% 銀/シロキサンインクを使用して、基板層上に 9 mm2 の正方形の下部電極層を印刷します。
ステップ III: 68 wt% 銀/シロキサンインクを使用して、半径 350 μm、高さ 1 mm、壁厚 150 μm の円筒形の壁をセンサー層として電極層上に印刷します。
ステップ IV: シリコンインクを使用して 9mm2 の絶縁層を印刷します。
ステップ V: 40 wt% の Pluronic インクを使用して、厚さ 0.8 mm の 9 mm2 の正方形のサポート層を印刷します。
ステップ VI: 75 wt% 銀/シロキサンインクを使用して 4 mm2 の正方形の上部電極層を印刷します。
ステップ VII: センサーを 3 時間浸してサポート層を除去します。
ステップ VIII: センサーを乾燥させます。

(a-b) 68 wt% および 75 wt% 銀/シロキサンインク中の Ag 粒子の分布を示す SEM 画像、スケールバーは 5 μm。
(c) 異なるAg含有量の硬化インクの引張曲線。
(d) 異なるAg含有量の硬化インクの圧縮曲線。
(e) 3種類のインクの印加圧力と抵抗の関係。68wt% Agサンプルは円筒形（直径1mm、高さ1mm）、70wt%および80wt% Agサンプルはフィラメント（長さ15mm、直径0.2mm）である。
(f) 3つの異なる周期的圧力下での68重量％銀/シロキサンインクセンシング層の相対電流変化。

(a) 3Dプリント触覚センサーのセンサー層の上面図、SEM画像。
(bc) 3D プリントされた触覚センサーの側面図と上面図、スケールバーは 200 μm。
（d）異なる圧力下での触覚センサーの電流-電圧特性曲線。
（e）入力周波数0.125Hzにおける動圧200kPaに対応する応答周波数。
（f）200kPaの圧力下での異なる入力周波数と電流変化の曲線。
（g）さまざまなインク材料と触覚センサーデバイスの平均圧縮率。
(h) 初期圧力500kPaで一定のひずみを加えたときの触覚センサーの電流変化。
(i) 周波数0.25Hz、圧力100kPaで100サイクル後の触覚センサーデバイスの電流変化。

(a) 橈骨動脈の上方に配置され、橈骨脈波信号を測定している触覚センサーの写真。
（b）座位状態で測定された脈拍信号
（c）階段を5分間上り下りした後に測定した脈拍信号。
（de）加圧および曲げ条件下での電流信号の変化に対する動的荷重およびサイクル数の影響。
（f）人間の指先に配置された、4mmのスケールを持つ3Dプリント触覚センサー。
（ｇ）触覚センサを指で押したときの電流信号の変化。
(h) 触覚センサーの表面にある三角形のガラス物体（面積1cm2）、スケール2mmの上面図。
(i) 質量50gの物体を三角形のガラス（0.096g）の上に置いたときの圧力分布の信号マッピング。

銀含有量の異なる銀/シリコンインクを使用してマイクロ触覚センサーを3Dプリントしました。実験により、センサーが歪みや圧力などの変化を正確に検出できることが示されました。さらに、人体実験により、センサーが機械的信号に非常に敏感で、人体の動きを正確に検出できることがさらに確認されました。この研究結果の発表により、パーソナライズされた 3D プリントセンサーへの新たな道が開かれました。

出典: Material People Network 詳しい情報:
指先に3Dプリントされたセンサー、将来ロボットはより賢くなる

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