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Jun 24, 2023

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npj Elettronica flessibile volume 6, Numero articolo: 65 (2022) Cita questo articolo 1923 Accessi 1 Citazioni Dettagli metrici In molti sistemi di sensori software, cavi esterni per il collegamento dei sensori a

npj Electrical Electronics volume 6, numero articolo: 65 (2022) Citare questo articolo

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In molti sistemi di sensori morbidi, i cavi esterni per collegare i sensori ai circuiti di controllo hanno posto problemi pratici, in termini di fattori di forma compatti e robustezza fisica. Questo studio propone un progetto di array di sensori morbidi che possono funzionare con un numero drasticamente ridotto di cavi senza degradare le prestazioni originali. Il concetto proposto è una serie di moduli di rilevamento morbido, ciascuno dei quali è costituito da un induttore e un condensatore incorporati accanto al modulo di rilevamento resistivo, costruendo un filtro passa banda resistore-induttore-condensatore. Regolando i valori della capacità e dell'induttanza, a ciascun modulo di rilevamento viene assegnata una banda di frequenza unica, consentendo il rilevamento distintivo utilizzando solo due cavi esterni indipendentemente dal numero di moduli. La funzionalità di rilevamento multi-touch del sistema è modellata analiticamente e caratterizzata sperimentalmente. Sfruttando il design, vengono dimostrate applicazioni pratiche un sensore tattile sul polpastrello e un sensore di pressione del piede nella soletta.

I recenti progressi nelle tecnologie elettroniche flessibili ed estensibili hanno creato diverse nuove applicazioni di sensori morbidi nell'area della pelle artificiale1,2,3,4,5,6,7,8 o dei robot indossabili9,10,11,12,13,14, sfruttando la loro cedevolezza meccanica che facilita la conformazione fisica dei sensori alle superfici delle strutture ospitanti di varia forma15,16,17. Un sistema robotico spesso richiede più sensori per ottenere una quantità sufficiente di dati e una serie di sensori con integrazione compatta non solo può coprire un'ampia area di interesse ma fornisce anche un'elevata risoluzione spaziale18,19,20,21,22,23, 24. Tuttavia, più componenti elettronici che compongono un array di sensori richiedono solitamente una configurazione hardware più complessa25,26,27. In particolare nei sensori morbidi, più cavi di segnale causano problemi pratici, come fragilità meccanica, interferenza fisica tra cavi adiacenti e complessità del sistema. Tuttavia, negli studi sui sensori morbidi questo problema non è stato finora preso seriamente in considerazione, nonostante la sua importanza pratica.

Nello specifico, i fili in un sistema robotico morbido inducono vincoli fisici quando il sistema è sottoposto a grandi movimenti dinamici. In questo caso, i cavi devono essere sufficientemente lunghi da coprire lo spazio di configurazione senza interferire con altri componenti né aggrovigliarsi. Inoltre, nei tipici sistemi robotici morbidi, le connessioni meccaniche tra sensori morbidi e fili regolari sono solitamente le aree più fragili a causa delle interfacce fisiche tra materiali rigidi e morbidi con elevate concentrazioni di stress28. Ciò diventa più problematico quando più sensori vengono implementati come un array che inevitabilmente contiene connessioni di cablaggio più complesse. Inoltre, la riparazione dei cavi nei sistemi soft spesso richiede un noioso processo manuale e talvolta è necessario sostituire l'intero array a causa di guasti nel cablaggio.

Un modo diretto per alleviare questi problemi è utilizzare meno cavi in ​​modo da ridurre al minimo la possibilità di guasti ai cavi o alle connessioni. In precedenza, sono stati adottati diversi approcci per costruire array di sensori soft con un numero ridotto di cavi. Uno dei metodi più comuni consiste nel collegare tutti i moduli di rilevamento in serie con una linea di alimentazione e aggiungere cavi di segnale ai nodi tra moduli adiacenti1,29. Tuttavia questo approccio richiede almeno lo stesso numero di fili di segnale di quello dei sensori e diventa ancora meno pratico se si utilizza un numero elevato di sensori. Sebbene sia possibile utilizzare un multiplexer per trasmettere i segnali di uscita attraverso i moduli30,31, il tempo di elaborazione diminuisce con l'aumento del numero di sensori. Un altro approccio consiste nel configurare la serie di sensori in uno schema a griglia con più strati32,33. Rispetto alla connessione seriale, la disposizione a rete tende ad utilizzare meno cavi quando aumenta il numero di moduli di rilevamento. Tuttavia, gli array di sensori a griglia spesso soffrono di un effetto fantasma, non riuscendo a dimostrare una funzionalità multi-touch completa. Sebbene l'effetto ghost key possa essere risolto utilizzando un diodo o un multiplexer aggiuntivo, ciò aumenta la complessità del sistema e il fattore di forma26,27. È stato condotto uno studio recente sul tracciamento di più sensori morbidi con un filo a uscita singola utilizzando l'apprendimento automatico34,35, che tuttavia richiede un processo di addestramento con una quantità relativamente grande di dati. Supponendo che ciascun modulo di rilevamento richieda un singolo ingresso e una singola uscita, la Figura 1 supplementare confronta numericamente il numero di cavi richiesti per ciascun approccio con il numero di moduli di rilevamento.