[論文レビュー] An Ultrasensitive 3D Printed Tactile Sensor for Soft Robotics

Saeb Mousavi, David Howard+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Advanced Sensor and Energy Harvesting MaterialsEngineering参考文献 1被引用数 16

ひとこと要約

本論文では、熱可塑性ポリウレタン（TPU）とポリラクティック酸-グラフェン（PLA-G）フィラメントを用いた溶融積層成形（FDM）により、3Dプリントされた圧電抵抗性タクトイルセンサーを提示する。このセンサーは、優れた感度（ゲージファクター約550）を達成し、曲げひずみ下でも良好に回復するため、ソフトロボット用途における高分解能圧力検出が可能である。

ABSTRACT

A new method is presented to manufacture piezoresistive tactile sensors using fused deposition modelling (FDM)printing technology with two different filaments made of thermoplastic polyurethane (TPU) and polylactic acid-graphene (PLA-G) composite. The sensor shows very high sensitivity (gauge factor~550) and excellent recovery to bending-induced strain and can detect a wide range of pressures. This new technology opens the door for 3D printing soft robotic parts capable of tactile communications.

研究の動機と目的

• ソフトロボットシステムに統合可能な低コストで付加製造可能なタクトイルセンサーの開発を目的とする。
• 動的環境下で高い感度と耐久性を実現する3Dプリントタクトイルセンサーの課題に対処することを目的とする。
• スケーラブルでカスタマイズ可能かつプリント可能なセンシングソリューションを通じて、ソフトロボットにおけるタクトイルフィードバックを可能とすることを目的とする。
• FDM 3D プリンティングにおいて導電性複合フィラメント（PLA-G）を用いることで、高性能なタクトイルセンシングが可能であることを実証することを目的とする。
• 特に曲げひずみに起因する変形に対して、信頼性の高い長期運用を可能にする、強固な回復特性を達成することを目的とする。

提案手法

• 溶融積層成形（FDM）3D プリンティングを用いて、構造的柔軟性を提供する熱可塑性ポリウレタン（TPU）と電気的導電性を提供するポリラクティック酸-グラフェン（PLA-G）複合フィラメントの2種類のフィラメントを用いてタクトイルセンサーを製造した。
• 圧力変化に対する感度を向上させるために、多孔質またはグリッド状の内部構造を有する3Dプリントセンサー構造を設計した。
• 圧電抵抗効果を活用した：機械的ひずみが導電性 PLA-G フィラメント間の接触抵抗を変化させ、測定可能な電気的信号を発生させる。
• 高導電性と機械的耐性を達成するために、フィラメントの組成と印刷パラメータを最適化した。
• さまざまな圧力および曲げ条件の下で機械的試験を実施し、感度および回復特性を評価した。
• 感度を定量化するための主要な性能指標として、単位ひずみあたりの抵抗変化率として定義されるゲージファクターを測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FDM テクノロジーを用いた3Dプリントタクトイルセンサーは、従来のセンサーと同等の高い感度を達成しつつ、機械的頑丈さを維持できるか？
• RQ2 PLA-G 複合フィラメントの統合は、3Dプリントタクトイルセンサーの電気的および機械的性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 繰り返しの曲げまたは圧縮サイクル後に、センサーはどの程度電気的応答を回復できるか？
• RQ4 追加製造と市販のフィラメントのみを用いて、広範囲の圧力を高分解能で検出できるか？
• RQ5 TPU と PLA-G 複合材料を用いた3Dプリント圧電抵抗性タクトイルセンサーで達成可能な最大ゲージファクターはどの程度か？

主な発見

• センサーは約550のゲージファクターを達成し、機械的ひずみに対する極めて高い感度を示した。
• 繰り返しの曲げおよび圧縮サイクル後でも、優れた回復性能を示し、一貫した電気的出力を維持した。
• PLA-G 複合材料の非線形圧電抵抗応答のおかげで、低圧から高圧まで広範囲の圧力を検出可能であった。
• 3D プリンティングプロセスにより、導電経路を統合した複雑でカスタマイズ可能なセンサー形状の製造が可能になった。
• PLA-G 複合フィラメントの使用により、TPUマトリックスの機械的柔軟性を保ちつつ、効果的な電気的導電性が実現された。
• センサーの性能は ICRA2018 でのポスター発表を通じて検証され、実世界のソフトロボット応用における可能性が示された。