Solteiro

npj Flexible Electronics volume 6, número do artigo: 65 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Em muitos sistemas de sensores flexíveis, os fios externos para conectar os sensores aos circuitos de controle apresentam problemas práticos, em termos de formatos compactos e robustez física. Este estudo propõe um projeto de conjuntos de sensores suaves que podem operar com um número drasticamente reduzido de fios sem degradar o desempenho original. O conceito proposto é um conjunto de módulos de detecção suave, cada um dos quais consiste em um indutor e um capacitor embutido próximo ao módulo de detecção resistiva, construindo um filtro passa-faixa resistor-indutor-capacitor. Ao ajustar os valores da capacitância e da indutância, uma banda de frequência única é atribuída a cada módulo sensor, permitindo a detecção distinta usando apenas dois fios externos, independentemente do número de módulos. A funcionalidade de detecção multitoque do sistema é modelada analiticamente e caracterizada experimentalmente. Aproveitando o design, um sensor tátil na ponta do dedo e um sensor de pressão do pé na palmilha são demonstrados como aplicações práticas.

Avanços recentes em tecnologias eletrônicas flexíveis e extensíveis criaram várias novas aplicações de sensores suaves na área de pele artificial1,2,3,4,5,6,7,8 ou robôs vestíveis9,10,11,12,13,14, aproveitando sua complacência mecânica que facilita a conformação física dos sensores às superfícies das estruturas hospedeiras com diversos formatos15,16,17. Um sistema robótico muitas vezes requer múltiplos sensores para obter uma quantidade suficiente de dados, e um conjunto de sensores com integração compacta não só pode cobrir uma grande área de interesse, mas também fornece uma alta resolução espacial18,19,20,21,22,23, 24. No entanto, múltiplos componentes eletrônicos que compõem um conjunto de sensores geralmente requerem uma configuração de hardware mais complexa25,26,27. Particularmente em sensores soft, múltiplos fios de sinal causam problemas práticos, como fragilidade mecânica, interferência física entre fios adjacentes e complexidade do sistema. No entanto, em estudos de sensores suaves, esta questão não foi levada seriamente em consideração até agora, apesar do seu significado prático.

Especificamente, os fios em um sistema robótico suave induzem restrições físicas quando o sistema sofre grandes movimentos dinâmicos. Neste caso, os fios precisam ser longos o suficiente para cobrir o espaço de configuração, sem interferir com outros componentes nem se enroscarem. Além disso, em sistemas robóticos leves típicos, as conexões mecânicas entre sensores macios e fios regulares são geralmente as áreas mais frágeis devido às interfaces físicas entre materiais rígidos e macios com altas concentrações de tensão . Isto se torna mais problemático quando vários sensores são implementados como um conjunto que inevitavelmente contém conexões de fiação mais complexas. Além disso, reparar os fios em sistemas flexíveis muitas vezes requer um processo manual tedioso e, às vezes, todo o conjunto precisa ser substituído devido a falhas na fiação.

Uma maneira direta de aliviar esses problemas é usar menos fios para minimizar a chance de falhas nos fios ou conexões. Anteriormente, havia várias abordagens para construir matrizes de sensores flexíveis com um número reduzido de fios. Um dos métodos mais comuns é conectar todos os módulos sensores em série com uma linha de energia e adicionar fios de sinal aos nós entre módulos adjacentes1,29. No entanto, esta abordagem requer pelo menos o mesmo número de fios de sinal que os sensores, e torna-se ainda menos prática se for utilizado um grande número de sensores. Embora seja possível usar um multiplexador para varrer os sinais de saída através dos módulos30,31, o tempo de processamento degrada com o aumento do número de sensores. Outra abordagem é configurar o conjunto de sensores em um padrão de grade com múltiplas camadas . Comparado à conexão serial, o arranjo em rede tende a utilizar menos fios quando o número de módulos sensores aumenta. No entanto, os conjuntos de sensores do tipo grade geralmente sofrem de um efeito de tecla fantasma, não conseguindo demonstrar uma funcionalidade multitoque completa. Embora um efeito de chave fantasma possa ser resolvido usando um diodo ou multiplexador adicional, ele aumenta a complexidade do sistema, bem como o fator de forma . Houve um estudo recente para rastrear múltiplos sensores soft com um fio de saída única usando aprendizado de máquina34,35, que, no entanto, requer um processo de treinamento com uma quantidade relativamente grande de dados. Assumindo que cada módulo de detecção requer uma única entrada e uma única saída, a Figura 1 Complementar compara numericamente o número de fios necessários para cada abordagem com o número de módulos de detecção.