Các nhà nghiên cứu đã đề xuất thiết kế mới cho các cảm biến cho phép điều khiển từ xa các hệ thống robot và chân tay giả. Ảnh: Larry Cheng / Penn State

Giải quyết hạn chế của công nghệ cảm biến áp suất

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu và phát triển, việc chế tạo các cảm biến áp suất linh hoạt đạt được độ chính xác cao và khả năng phản hồi nhạy bén với những áp suất nhỏ vẫn còn gặp nhiều khó khăn. Các thiết kế thông thường thường cung cấp mạng lưới dẫn điện phong phú, nhưng sự sắp xếp không đều của chúng làm suy yếu độ bền nén, từ đó hạn chế phạm vi phát hiện và độ ổn định lâu dài.

Trong nghiên cứu này, nhóm đã thiết kế một nền tảng cảm biến áp suất linh hoạt dựa trên vật liệu được gọi là aerogel oxit graphene khử (rGOA) – một vật liệu cực kỳ nhẹ và giàu oxy. Bằng phương pháp đúc đông lạnh, một kỹ thuật sản xuất làm đông đặc hỗn hợp chất lỏng và chất rắn thành một vật liệu duy nhất, họ có thể tạo ra các cảm biến có cấu trúc vi mô không đẳng hướng, nghĩa là chúng có độ bền cơ học khác nhau tùy thuộc vào hướng tác dụng lực.

Nhờ những điều chỉnh này, các cảm biến có thể đồng thời đạt được độ nhạy cực cao, phạm vi phát hiện áp suất rộng và độ ổn định lâu dài. Mặc dù mỗi cảm biến chỉ có kích thước khoảng tám milimét, nhưng chúng có thể chịu được lực khoảng ba ounce và hoạt động đáng tin cậy với tải trọng lên đến hơn 20.000 lần. Bằng cách lắp ráp các cảm biến riêng lẻ thành một mảng liên kết, chúng ta có thể tạo ra một "lớp da" nhân tạo có khả năng đo chính xác những thay đổi áp suất cực kỳ nhỏ.

Các cảm biến được chế tạo như thế nào?

Cảm biến áp suất được chế tạo bằng cách kẹp rGOA giữa một lớp màng tổng hợp, giống như nhựa, được dập nổi các điện cực xen kẽ - các thiết bị đo nhỏ được in trên vật liệu bằng mực bạc — và một lớp vật liệu polymer mỏng, gốc silicon. Việc kẹp các vật liệu này lại với nhau đảm bảo tiếp xúc điện ổn định, độ bền cơ học và tính linh hoạt cho các ứng dụng thực tế.

Nhóm đã thử nghiệm các cảm biến của mình bằng cách đo phản ứng dòng điện dưới nhiều áp suất khác nhau, đồng thời đánh giá phản ứng tần số và độ ổn định dưới nhiều nhiệt độ và độ ẩm khác nhau. Các cảm biến tỏ ra cực kỳ nhạy, cho độ nhạy gần gấp đôi so với các cảm biến được sản xuất bằng cấu trúc truyền thống.

Ngoài ra, các cảm biến này thể hiện thời gian phản hồi và phục hồi cực nhanh, phản ứng với sự thay đổi áp suất chỉ trong hơn 100 mili giây và phục hồi từ các phản hồi chỉ trong 40 mili giây - một quá trình mà các tùy chọn cảm biến khác có thể mất hơn 250 mili giây để hoàn thành.

Quá trình lắp ráp các cảm biến

Các cảm biến có thể được lắp ráp thành một mảng, thu thập nhiều phép đo riêng lẻ. Sử dụng bộ vi điều khiển, một máy tính nhỏ được thiết kế để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, các tín hiệu áp suất này được thu thập, chuyển đổi thành giá trị số và hiển thị theo thời gian thực. Điều này cho phép các cảm biến xác định vị trí và độ lớn của áp suất do các vật thể khác nhau gây ra, có thể hữu ích cho các thiết bị giả chi, thao tác robot và giám sát tình trạng pin.

Tính linh hoạt, độ nhạy cực cao và độ ổn định môi trường của các cảm biến cho phép chúng thích ứng với các bề mặt phức tạp để lập bản đồ áp suất chính xác, một cách để hình dung áp suất giữa hai bề mặt. Những khả năng này mở ra những khả năng mới trong robot thông minh, thiết bị đeo và giao diện người-máy, cho phép phát hiện những thay đổi áp suất động từ các vật thể không đều hoặc những thay đổi thể tích nhỏ.

Một ứng dụng quan trọng là phát hiện sớm hiện tượng phồng rộp pin ở xe điện - một vấn đề phổ biến khi áp suất bên trong tăng cao có thể gây hư hỏng không thể khắc phục cho pin.

Ngoài ra, các cảm biến có thể nhận dạng hình dạng vật thể hoặc giúp hệ thống robot nắm bắt các vật thể dễ vỡ. Khi được sử dụng cùng với một bộ phận thao tác robot như tay robot hoặc kẹp, các cảm biến có thể theo dõi áp lực trong thời gian thực và so sánh với ngưỡng an toàn được thiết lập trước để ngăn ngừa hư hỏng vật thể. Hệ thống phản hồi lực này cho phép robot theo dõi chính xác chuyển động của tay và nắm bắt các vật thể mỏng manh như đậu phụ, bông gòn và bánh bao hấp, điều này có thể là một bước tiến lớn trong tương tác và giao diện hiệu quả giữa người và máy.

Bước nghiên cứu tiếp theo và kế hoạch thương mại hóa trong tương lai

Các nhà nghiên cứu dự định giảm kích thước và trọng lượng của cảm biến để tăng cường khả năng tương thích sinh học và độ ổn định trong môi trường phức tạp. Nghiên cứu bổ sung có thể cho phép lập trình độ nhạy theo không gian — cho phép một cảm biến hoặc mảng cảm biến duy nhất đồng thời phát hiện các áp lực nhỏ trong một khu vực và chịu được tải trọng lớn trong khu vực khác — đồng thời tích hợp khả năng cảm biến áp suất, nhiệt độ hoặc biến dạng trong một cấu trúc toàn diện duy nhất.

Họ tin rằng những cảm biến này có tiềm năng lớn để triển khai và thương mại hóa trong thực tế tương lai thông qua việc tích hợp với các thiết bị đeo được và robot thương mại. Mảng các cảm biến này có thể cung cấp giải pháp cảm biến chi phí thấp và hiệu suất cao, đồng thời vẫn giữ được tính linh hoạt và khả năng tùy chỉnh cao.