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npj フレキシブル エレクトロニクス 第 6 巻、記事番号: 65 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

多くのソフト センサー システムでは、センサーを制御回路に接続するための外部ワイヤが、コンパクトなフォーム ファクターと物理的な堅牢性の点で実際的な問題を引き起こしています。 この研究では、本来の性能を損なうことなく、大幅に削減されたワイヤ数で動作できるソフトセンサーアレイの設計を提案します。 提案されたコンセプトは、ソフトセンシングモジュールのアレイであり、各モジュールは抵抗センシングモジュールの隣に埋め込まれたインダクタとコンデンサで構成され、抵抗器、インダクタ、コンデンサのバンドパスフィルタを構成します。 キャパシタンスとインダクタンスの値を調整することにより、各センシングモジュールに固有の周波数帯域が割り当てられ、モジュールの数に関係なく、わずか2本の外部配線で独自の検出が可能になります。 システムのマルチタッチ センシング機能は、分析的にモデル化され、実験的に特性評価されます。 この設計を活かし、指先触覚センサーと足底足圧センサーを実用化しました。

柔軟で伸縮性のあるエレクトロニクス技術の最近の進歩により、人工皮膚1、2、3、4、5、6、7、8、またはウェアラブルロボット9、10、11、12、13、14、機械的コンプライアンスを利用して、さまざまな形状のホスト構造の表面へのセンサーの物理的配置を容易にします15、16、17。 ロボット システムでは、十分な量のデータを取得するために複数のセンサーが必要になることが多く、コンパクトに統合されたセンサーのアレイは、広い関心領域をカバーできるだけでなく、高い空間解像度も提供します 18、19、20、21、22、23。 24. ただし、センサー アレイを構成する複数の電子コンポーネントには、通常、より複雑なハードウェア構成が必要です 25、26、27。 特にソフト センサーでは、複数の信号ワイヤにより、機械的脆弱性、隣接するワイヤ間の物理的干渉、システムの複雑さなどの実際的な問題が発生します。 それにもかかわらず、ソフトセンサーの研究では、この問題は実際的な重要性にもかかわらず、これまで真剣に考慮されていませんでした。

具体的には、ソフト ロボット システムのワイヤーは、システムが大きな動的動作を受けるときに物理的な制約を引き起こします。 この場合、ワイヤは他のコンポーネントと干渉したり絡まったりせずに、構成スペースをカバーするのに十分な長さである必要があります。 さらに、典型的なソフトロボットシステムでは、応力集中の高い硬い材料と柔らかい材料の間の物理的界面のため、柔らかいセンサと通常のワイヤとの間の機械的接続は、通常、最も脆弱な領域である28。 複数のセンサーが必然的により複雑な配線接続を含むアレイとして実装される場合、これはさらに問題になります。 さらに、ソフト システムのワイヤの修復には、多くの場合、面倒な手動プロセスが必要であり、場合によっては、配線の障害によりアレイ全体を交換する必要があることもあります。

これらの問題を軽減する直接的な方法は、使用するワイヤの数を減らし、ワイヤや接続での障害の可能性を最小限に抑えることです。 これまで、ワイヤの数を減らしてソフト センサー アレイを構築するためのアプローチがいくつかありました。 最も一般的な方法の 1 つは、すべてのセンシング モジュールを電力線と直列に接続し、隣接するモジュール間のノードに信号線を追加することです1、29。 ただし、このアプローチには少なくともセンサーの数と同じ数の信号線が必要であり、多数のセンサーが使用される場合はさらに実用的ではなくなります。 マルチプレクサを使用してモジュール30、31を通じて出力信号をスイープすることは可能ですが、センサの数が増加すると処理時間は低下します。 別のアプローチは、複数の層を備えたグリッド パターンでセンサー アレイを構成することです32、33。 シリアル接続と比較して、グリッド配置ではセンシングモジュールの数が増えると使用するワイヤが少なくなる傾向があります。 ただし、グリッド型センサー アレイはゴースト キーの影響を受けることが多く、完全なマルチタッチ機能を実証できません。 ゴースト キーの影響は、追加のダイオードまたはマルチプレクサを使用することで対処できますが、フォーム ファクタだけでなくシステムの複雑さも増加します 26、27。 最近、機械学習を使用して単一出力ワイヤで複数のソフト センサーを追跡する研究が行われています 34,35 が、比較的大量のデータを使用したトレーニング プロセスが必要です。 各センシングモジュールが単一の入力と単一の出力を必要とすると仮定して、補足図1は、各アプローチに必要なワイヤの数とセンシングモジュールの数を数値的に比較しています。