[논문 리뷰] An Ultrasensitive 3D Printed Tactile Sensor for Soft Robotics

Saeb Mousavi, David Howard외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 24.

Advanced Sensor and Energy Harvesting MaterialsEngineering참고 문헌 1인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 열가소성 폴리우레탄(TPU)과 폴라락티크 산-그래핀(PLA-G) 필라멘트를 사용한 퓌저드 디포지션 모델링(FDM) 기반 3D 프린팅을 통해 제작된 피에조저항성 촉각 센서를 제시한다. 센서는 뛰어난 민감도(gauge factor ~550)를 달성하고 굽힘 응력 하에서도 잘 복원되어 연질 로봇 응용 분야에서 고해상도 압력 감지가 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 연질 로봇 시스템에 통합 가능한 저비용의 적층 제조 촉각 센서를 개발하기 위해.
• 동적 환경에서 높은 민감도와 내구성을 확보하는 데 도전하는 데 목적이 있다.
• 확장 가능하고 맞춤형이며 인쇄 가능한 감지 솔루션을 통해 연질 로봇에 촉각 피드백을 제공하기 위해.
• FDM 3D 프린팅 기술을 활용해 도전성 복합 필라멘트(PLA-G)를 고성능 촉각 감지에 적용할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.
• 기계적 변형, 특히 굽힘에 의해 유도된 응력 하에서도 신뢰성 있는 장기 운용을 위한 강력한 복원성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 구조적 유연성에, 폴라락티크 산-그래핀(PLA-G) 복합체를 전기 전도성에 사용하여, 퓌저드 디포지션 모델링(FDM) 3D 프린팅을 통해 촉각 센서를 제작하였다.
• 압력 변화에 대한 민감도를 향상시키기 위해 다공성 또는 격자형 내부 구조를 가진 3D 프린팅 센서 구조를 설계하였다.
• 피에조저항 효과를 활용: 기계적 응력이 도전성 PLA-G 필라멘트 간의 접촉 저항을 변화시켜 측정 가능한 전기 신호를 생성한다.
• 높은 전도성과 기계적 내구성을 확보하기 위해 필라멘트 조성 및 프린팅 파arameter를 최적화하였다.
• 다양한 압력 및 굽힘 조건 하에서 기계적 시험을 실시하여 민감도 및 복원 거동을 평가하였다.
• 민감도를 정량화하기 위한 핵심 성능 지표로 게이지 팩터를 측정하였으며, 이는 단위 응력 당 저항의 상대적 변화로 정의된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FDM 기반 3D 프린팅을 사용한 촉각 센서가 기존 센서 수준의 높은 민감도를 확보하면서도 기계적 내구성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 PLA-G 복합 필라멘트의 통합은 3D 프린팅 촉각 센서의 전기적 및 기계적 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 반복적인 굽힘 또는 압축 사이클 후 센서가 전기적 반응을 얼마나 잘 복원하는가?
• RQ4 단지 적층 제조 기술과 시장에서 구입 가능한 필라멘트만을 사용해도 넓은 압력 범위를 고해상도로 감지할 수 있는가?
• RQ5 TPU와 PLA-G 복합체를 사용한 3D 프린팅 피에조저항성 촉각 센서에서 도달할 수 있는 최대 게이지 팩터는 얼마인가?

주요 결과

• 센서는 약 550의 게이지 팩터를 달성하여 기계적 응력에 대한 극도로 높은 민감도를 보였다.
• 반복적인 굽힘 및 압축 사이클 후에도 뛰어난 복원 성능을 보이며 일관된 전기 출력을 유지하였다.
• PLA-G 복합체의 비선형 피에조저항 특성 덕분에 저압에서 고압에 이르기까지 넓은 압력 범위를 감지할 수 있었다.
• 3D 프린팅 공정을 통해 복잡하고 맞춤형 센서 기하구조와 함께 통합된 전도 경로를 제작할 수 있었다.
• PLA-G 복합 필라멘트의 사용은 TPU 매트릭스의 기계적 유연성을 유지하면서도 효과적인 전기 전도성을 확보할 수 있었다.
• 센서 성능은 ICRA2018에서 포스터 발표를 통해 검증되었으며, 실세계 연질 로봇 응용 분야에서의 잠재력을 입증하였다.