Inteligentna powłoka: Rewolucja w interakcji człowiek-robot
Fraunhofer FHRCoraz częściej w przemyśle, usługach i służbie zdrowia wymagana jest płynna współpraca ludzi z robotami. Aby maszyny mogły lepiej rozumieć i reagować na nasze działania, naukowcy opracowują "inteligentną skórę". Ta innowacyjna technologia, oparta na metamateriałach, pozwoli robotom na precyzyjne skanowanie otoczenia i lepszą komunikację. Projekt UE FITNESS, prowadzony przez Fraunhofer Institute, jest krokiem milowym w kierunku stworzenia robotów, które będą naturalnymi partnerami człowieka.
Roboty odgrywają coraz ważniejszą rolę w produkcji przemysłowej, a fizyczna interakcja człowiek-robot stała się kluczowym elementem zwiększającym efektywność i elastyczność procesów produkcyjnych
Bezpieczeństwo pracowników jest priorytetem w każdej interakcji człowiek-maszyna. Unijny projekt UE FITNESS (Flexible IntelligenT NEarfield Sensing Skins) ma na celu optymalizację komunikacj i interakcj między ludźmi a maszynami za pomocą inteligentnych rozwiązań antenowych w postaci innowacyjnych, elektromagnetycznych powierzchni meta-materiałowych ze zintegrowaną elektroniką. Elastyczne i rozciągliwe anteny metapowierzchniowe, które nadają się do emitowania fal powierzchniowych, powinny być w stanie skanować bezpośrednie otoczenie znacznie lepiej niż konwencjonalne anteny, zwiększając w ten sposób bezpieczeństwo ludzi i wydajność robotów.
Oprócz Fraunhofer FHR w projekt zaangażowanych jest sześciu innych partnerów z branży przemysłowej i badawczej: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, eV-Technologies, Hamburg University of Technology, Université Catholique de Louvain, University of Zagreb Faculty of Electrical Engineering and Computing oraz L-up. Belgijski uniwersytet UCLouvain koordynuje projekt, który jest finansowany przez Unię Europejską w ramach umowy o numerze 101098996.
Inteligentna powłoka anteny z funkcjami sensorycznymi i komunikacyjnymi
Anteny metasurface to elastyczne, cienkie warstwy, które mogą być łatwo przymocowane do powierzchni robotów, podobnie jak skóra. Dzięki swojej płaskiej budowie, doskonale dopasowują się do różnych kształtów, umożliwiając pokrycie całego robota lub wybranych jego części.
– Nasze przyszłe rozwiązanie antenowe charakteryzuje się tym, że może zarówno skanować bezpośrednie otoczenie, jak i wykrywać ruch, jednocześnie będąc w stanie komunikować się bezprzewodowo ze stacją bazową w hali przemysłowej – mówi Andrej Konforta, Group Manager 3D Printing RF Systems w Fraunhofer FHR. – Rynek nie oferował jeszcze takiego rozwiązania.
Małe geometrie o wysokim stopniu swobody
Innowacyjne rozwiązanie antenowe opiera się na kształtowaniu wiązki, co pozwala precyzyjnie określić położenie źródeł dźwięku w polu falowym. Dzięki temu, regulowana wiązka elektromagnetyczna jest zawsze skierowana w stronę stacji bazowej, co przekłada się na zwiększenie siły i stabilności sygnału oraz rozszerzenie zasięgu. Dotychczasowe technologie, takie jak matryce fazowe, również umożliwiały kształtowanie wiązki, jednak nowe rozwiązanie oferuje większą elastyczność i precyzję.
– Wiele anten jest połączonych w grupę. Faza każdego pojedynczego elementu anteny jest zmienna, co umożliwia wpływanie na kierunek widzenia anteny macierzowej – mówi badacz, wyjaśniając technologię, która do tej pory była wykorzystywana głównie w kontekście wojskowym.
W konwencjonalnych antenach macierzowych elementy anteny i ich elektronika są ściśle rozmieszczone. Rezultat: wysokie koszty, duże rozpraszanie ciepła i wysoka podatność na błędy. Z drugiej strony, anteny metapowierzchniowe mogą być konstruowane przy użyciu znacznie mniejszej ilości elektroniki - bez utraty właściwości konwencjonalnego projektu. Nowa koncepcja pozwala na oszczędność kosztów i realizację mniejszych, bardziej zwartych struktur.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
– Dzięki powierzchniom meta-materiałowym realizujemy nową koncepcję projektową, która umożliwia bardzo małe geometrie, które pozwalają na wysoki stopień swobody w projektowaniu pól promieniowanych, ale także najlepszą możliwą ekstrakcję sygnałów gestów – mówi badacz.
Rozwój nowych podłoży antenowych
Anteny są zwykle zintegrowane ze sztywnymi podłożami mikrofalowymi. Alternatywnie, istnieją materiały, które mogą być również rozciągane, a zatem są bardzo elastyczne. Jednak te elastyczne podłoża mają zbyt duże straty i nie osiągają optymalnej wydajności w zakresie wysokich częstotliwości, jak wykazała technologia pomiarowa opracowana przez naukowców z Fraunhofer FHR.
Dlatego też konwencjonalne podłoża dostępne na rynku nie są optymalnie dostosowane do transmisji sygnałów o wysokiej częstotliwości. W oparciu o wyniki uzyskane przez Fraunhofer FHR, partner projektu Uniwersytet Techniczny w Hamburgu (TUHH) opracowuje nowe podłoża w ramach projektu FITNESS - Instytut Fizyki Polimerów Stosowanych (IAPP) syntetyzuje rozciągliwe i potencjalnie kompatybilne z wysokimi częstotliwościami materiały przy użyciu mieszanki polimerów i polimerów z ceramicznymi cząstkami obcymi. Zostaną one przetestowane przez Fraunhofer FHR w trakcie trwania projektu. W oparciu o wstępne wyniki, istniejąca konfiguracja pomiarowa jest obecnie optymalizowana, rozszerzana na inne pasma częstotliwości i opracowywane jest oprogramowanie dla ostatecznej konfiguracji. Jednocześnie partnerzy projektu badają, w jaki sposób odkształcenia rozciągliwych powierzchni wpływają na właściwości w bliskim i dalekim polu. Długoterminowym planem jest opracowanie samokalibrujących się anten metapowierzchniowych, które rozpoznają własną krzywiznę i kształt, aby zapewnić optymalny odbiór sygnału i uniknąć problemów z komunikacją
Fraunhofer FHRSzeroki zakres zastosowań
Oprócz zastosowań w produkcji przemysłowej, partnerzy projektu widzą duży potencjał technologii anten metapowierzchniowych w medycynie i robotyce. "Inteligentna skóra" stworzona na bazie tych anten mogłaby umożliwić urządzeniom medycznym, takim jak roboty wspomagające, lepsze rozpoznawanie gestów i bardziej naturalną interakcję z pacjentami. Ponadto, technologia ta mogłaby znaleźć zastosowanie w specjalistycznych odzieżach, np. dla strażaków czy astronautów.
