Inteligentná pokožka pre presnú komunikáciu a bezproblémový dizajn v robotike

Širokopásmové tienenie polyméru. Zdroj: https://www.fraunhofer.de

Špeciálna fyzická interakcia medzi človekom a robotom je čoraz viac potrebná v obrannom priemysle, sektore profesionálnych služieb a zdravotníctve. To si vyžaduje zlepšenie pohodlia a komunikácie medzi človekom a strojom. Roboty musia byť schopné predvídať ľudské činy a rozpoznávať tváre. To si vyžaduje flexibilné metamateriály, napr. ploché antény Metasurface s vysoko integrovanou elektronikou na zachytenie blízkeho prostredia. Slnečné povrchy, ktoré obaľujú robota ako adaptívna, inteligentná koža, vyvíja Fraunhoferov inštitút pre fyziku vysokých frekvencií a radarovú technológiu FHR spolu so šiestimi partnermi v projekte EÚ FITNESS. Roboty vybavené anténami Metasurface by mali byť schopné jednoducho detekovať okolitý hluk v blízkom poli a lepšie komunikovať so svojou základňovou stanicou vo vzdialenom poli.

Roboty zohrávajú čoraz dôležitejšiu úlohu najmä v priemyselnej výrobe. V súlade s tým sa fyzická interakcia medzi ľuďmi a robotmi vyvinula do kľúčovej technológie, ktorá pomáha zefektívniť výrobné procesy.

Pri každom vývoji interakcie človek-stroj je bezpečnosť pracovníkov v popredí. Tu prichádza na rad projekt EÚ FITNESS (Flexible IntelligenT NEarfield Sensing Skins), v rámci ktorého sa má optimalizovať komunikácia a interakcia medzi ľuďmi a strojmi pomocou inteligentných anténnych riešení vo forme nových elektromagnetických metamateriálových povrchov s integrovanou elektronikou. Flexibilné a roztiahnuteľné antény Metasurface, ktoré sú vhodné na vyžarovanie povrchových vĺn, údajne dokážu skenovať okolité prostredie oveľa lepšie ako bežné antény, čím zvyšujú bezpečnosť ľudí a výkon robotov. Okrem Fraunhofer FHR je do projektu zapojených šesť ďalších partnerov z priemyslu a výskumu: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, eV Technologies, Technická univerzita v Hamburgu, Université Catholique de Louvain, Fakulta elektrotechniky a výpočtovej techniky Univerzity v Záhrebe a L-up . Belgická univerzita UCLouvain koordinuje projekt, ktorý je financovaný Európskou úniou pod číslom zmluvy 101098996.

Inteligentný povrch antény so senzorickými a komunikačnými funkciami

Antény Metasurface sú ploché antény integrované do substrátov v tvare filmu, ktoré sa prispôsobujú obrysu robota. Vďaka svojej plochej štruktúre je možné tieto antény ohýbať a naťahovať a umiestniť okolo robota ako kožu. Alternatívne a v závislosti od aplikácie môžu byť napríklad pripevnené iba na rameno robota. Preto sa označujú aj ako „inteligentné pokožky“ alebo inteligentná pokožka. „Naše budúce anténne riešenie sa vyznačuje tým, že dokáže skenovať okolie a detekovať pohyb a zároveň je schopné rádiovej komunikácie so základňou v priemyselnej hale,“ uviedol Andrej Konforta, vedúci skupiny pre 3D tlač vysokofrekvenčných systémov vo Fraunhofer FHR. “Trh zatiaľ takéto riešenie neponúka.”

Malé geometrie s vysokým stupňom voľnosti

Nové a inovatívne riešenie antény je určené na umožnenie tvarovania lúča – procesu na určenie polohy zdrojov zvuku vo vlnových poliach – tak, aby nastaviteľný elektromagnetický lúč smeroval vždy k základnej stanici, čo zaručuje silnejší, stabilnejší signál a výsledkom je zvýšený rozsah. Formovanie lúčov zatiaľ podporujú takzvané fázované polia. »Veľa antén je spojených v skupine. Fáza každého jednotlivého anténneho prvku je variabilná, čo znamená, že je možné ovplyvniť smer pohľadu skupinovej antény,“ vysvetlil výskumník technológiu, ktorá sa doteraz používala predovšetkým vo vojenskom kontexte. V konvenčných anténnych sústavách sú anténne prvky a ich elektronika tesne umiestnené. Výsledok: vysoké náklady, veľký odvod tepla a vysoká náchylnosť na chyby. Na druhej strane antény Metasurface by mohli byť postavené s oveľa menším množstvom elektroniky – bez straty vlastností bežnej konštrukcie. Nový koncept môže ušetriť náklady a vytvoriť menšie, kompaktnejšie štruktúry. „S meta-materiálovými povrchmi sledujeme nový konštrukčný koncept, ktorý umožňuje veľmi malé geometrie, ktoré umožňujú vysoký stupeň voľnosti v dizajne emitovaných polí, ale aj najlepšiu možnú extrakciu signálov gest,“ uviedol výskumník.

Vývoj nových anténnych substrátov

Typicky sú antény integrované do pevných mikrovlnných substrátov. Alternatívne existujú materiály, ktoré sa dajú aj natiahnuť, a preto majú vysokú úroveň pružnosti. Tieto flexibilné substráty však majú príliš vysoké straty a nedosahujú optimálny výkon vo vysokofrekvenčnom rozsahu, ako ukazuje meracia technológia vyvinutá výskumníkmi Fraunhofer FHR. Preto konvenčné substráty dostupné na trhu nie sú optimálne na prenos vysokofrekvenčných signálov. Na základe výsledkov, ktoré Fraunhofer FHR dosiahol, vyvíja partner projektu Technická univerzita v Hamburgu (TUHH) nové substráty v rámci FITNESS – Inštitútu pre aplikovanú fyziku polymérov (IAPP) tam syntetizuje napínateľné a potenciálne vysokofrekvenčné materiály pomocou zmesi polymérov a polymérov s cudzími keramickými časticami. Tie bude testovať Fraunhofer FHR v priebehu projektu. Na základe prvých skúseností sa tiež optimalizuje predbežná zostava správy, ktorá sa rozšíri o ďalšie frekvenčné pásma, keď sa bude vyvíjať softvér pre konečnú zostavu. Paralelne partneri projektu skúmajú, ako deformácie nositeľných povrchov ovplyvňujú vlastnosti v nah- a papradinom poli. Dlhodobo implantované samokalibračné antény Metasurface, ktoré nezávisle rozpoznávajú ich zakrivenie a tvarovanie, aby dosiahli optimálne zachytenie signálu a vyhli sa problémom s komunikáciou.

Široké aplikačné spektrum

Okrem robotiky vo výrobnom prostredí ponúkajú partneri projektu aj medicínske inžinierstvo a robotiku ako oblasti použitia: Antény Metasurface ako inteligentná koža by tu mohli prispieť k tomu, že zariadenia, ako sú asistenčné roboty, môžu lepšie interagovať s ľuďmi. Technológiu je tiež možné začleniť v ochrannom vybavení hasičského zboru alebo v oblekoch kozmických lodí.