24/02/2025
Door Liam van Koert
Een nieuwe Dielectrische Elastomeer Sensor (DES) biedt realtime druk- en trillingsmonitoring in zachte fluidische actuatoren, wat toepassingen mogelijk maakt in robotica en biomedische apparaten.
Fluidische Elastomeer Actuatoren (FEA) zijn op drukgestelde buizen of membranen die gemakkelijk kunnen worden heringericht in complexe mechanische apparaten. Ze hebben veel aandacht gekregen vanwege hun lichte, flexibele aard, waardoor ze ideaal zijn voor robotica en biomedische apparaten. Het nauwkeurig meten van hun dynamische reacties en herconfiguratie is echter uitdagend, omdat traditionele sensoren, zoals piezo-elektrische versnellingsmeters en piezoresistieve sensoren, niet geschikt zijn voor vrije vormen, zoals koepeldaken of complexe vormen. Hun rigide metalen behuizingen beperken grote vervormingen en beïnvloeden de prestaties van de FEA.
Bovendien speelt het nauwkeurig meten van dynamische reacties in FEA’s een belangrijke rol bij het ontwerpen van auto’s. Bij het ontwerpen van nieuwe auto’s met hoge efficiëntie en veiligheid is het meten van trillingen en statische druk op de opblaasbare banden met een opblaasbare structuur onvermijdelijk. Deze metingen onthullen niet alleen de prestaties van de auto, maar ook de structurele gezondheid ervan.
Geïnspireerd door deze technologiekloof, onderzocht een team van wetenschappers onder leiding van professor Naoki Hosoya van het Shibaura Institute of Technology (SIT), Japan, de Dielectrische Elastomeer Sensor (DES) om deze uitdaging aan te pakken. Het team bestond uit Haruyuki Kurata van SIT, Japan, Dr. Ardi Wiranata van de Universiteit van Gadjah Mada, professor Shingo Maeda van het Institute of Science Tokyo, Dr. David Garcia Cava van de Universiteit van Edinburgh en Dr. Francesco Giorgio-Serchi van de Universiteit van Edinburgh. Deze studie, gepubliceerd op 30 december 2024 in Measurement, onderzoekt hoe DES kan worden gebruikt om de druk- en trillingsrespons op zachte fluidische structuren te meten. Zoals professor Hosoya opmerkt: “Onze studie onderzoekt hoe DES effectief kan worden geïmplementeerd voor realtime toestandsschatting en controle van zachte fluidische actuatoren.”
Om het werkingsmechanisme van deze sensor te begrijpen, vervaardigde het wetenschappersteam een capaciteits-type DES met behulp van polydimethylsiloxaan (PDMS) en koolstofnanobuizen. Deze sensor werd getest om de trillingsrespons van zachte fluidische systemen onder pneumatische activering te meten en was in staat om trillingen tot 100 Hz te meten. Het apparaat meet trillingen en statische druk door de verandering in capaciteit vast te leggen. Wanneer de DES wordt blootgesteld aan een externe kracht, wat leidt tot een vervorming, neemt de capaciteit toe. Het team ontdekte dat de DES een lineaire respons vertoonde op de trillingsamplitude, waarbij de gevoeligheid toenam naarmate de statische druk afnam.
Professor Hosoya legt uit: “De massa en stijfheid van conventionele sensoren zoals piezo-elektrische versnellingsmeters en piezoresistieve sensoren beïnvloeden sterk de dynamische eigenschappen van de onderliggende opblaasbare structuren, wat waarschijnlijk de nominale werking van de actuator hindert.” In tegenstelling tot piezoresistieve sensoren is DES flexibel en kan het grote vervormingen doorstaan, wat het ideaal maakt voor realtime monitoring van FEA’s.
Deze bevindingen benadrukken het potentieel van DES als een waardevol sensorapparaat voor zachte robotica en gezondheidsmonitoring. Het vermogen van DES om te functioneren in complexe, vervormbare omgevingen stelt het in staat een nieuwe standaard te zetten voor toepassingen in robotica, biomedische apparaten en grootschalige infrastructuur. Professor Hosoya zegt: “DES maakt het mogelijk om snel dynamische reacties van sterk vervormbare apparaten of structuren vast te leggen, wat een potentiële rol speelt in de controle van zachte robotica en structurele monitoring.”
Ten slotte concludeert professor Hosoya: “Deze resultaten geven aan dat lichte, zeer rekbare DES’s handig kunnen worden gebruikt als ingebedde eenheden binnen complexe fluidische netwerken, wat bijdraagt aan de monitoring van dit type actuatoren, en uiteindelijk hun observatie en controle vergemakkelijkt zonder beperkingen voor hun werking.”