Una matriz de sensores de presión flexible hecha con velostat y cinta de aluminio
Un actuador neumático blando puede agarrar un objeto sin saber cuánta fuerza hace ni en qué punto lo toca. Este proyecto buscó un sensor delgado y flexible que cubra la superficie de agarre y diga dónde hay presión. Se construyeron dos. El primero, de poliimida, aluminio y velostat, funciona y muestra un mapa de presión, aunque con fallas en el conector. El segundo, hecho por completo en silicona, quedó como demostración del proceso de moldeo: no se encontró una silicona suficientemente conductiva para sus electrodos.
Contexto
Los sensores habituales en robótica blanda miden la presión de una cámara de fluido o la deformación por medios ópticos. Informan que hay una fuerza, pero no dónde se aplica, y su electrónica de lectura es voluminosa. Un material piezorresistivo permite otra estrategia. El velostat es una lámina de polímero cargado con carbono cuya resistencia eléctrica baja cuando se comprime. Se puede cortar en cuadrados pequeños y colocar uno en cada cruce de una matriz de filas y columnas.
Una celda
Cada celda es un cuadrado de velostat entre dos electrodos. Se lee con un divisor de voltaje que usa la resistencia interna de 20 kΩ de un Arduino Mega: del voltaje medido se despeja la resistencia del velostat. Para obtener el mapa completo hay que leer las celdas una por una.
ZUCC: poliimida, aluminio y velostat
La primera versión se armó para comprobar el principio. Mide 104 × 32,5 × 1 mm. Las filas y las columnas son cinta de aluminio, y la cinta de poliimida (Kapton) sirve de sustrato y de aislante.
Capas de la primera versión y el sensor terminado
Todas las capas se cortan en una cortadora de vinilo de escritorio a partir de dibujos exportados desde el CAD. Cada capa se levanta con cinta de transferencia y se alinea con la anterior usando los bordes como guía. Un corte láser abre las ventanas por las que las filas hacen contacto con las pistas de salida. La tesis documenta el proceso paso a paso, con los parámetros de corte.
La segunda versión reduce el tamaño de cada celda para aumentar la resolución y termina en pistas con paso de 1 mm, compatibles con un conector FPC. Dos adaptadores soldados llevan esas pistas a pines estándar.
Columnas, cuadrados de velostat, filas y pistas de salida
SPABS: el mismo principio en silicona
La versión en silicona busca un sensor que se estire junto con el actuador. Un molde impreso en 3D sostiene los cuadrados de velostat mientras se vierte la silicona. La base curada tiene canales por ambos lados, filas por uno y columnas por el otro, que luego se rellenan con silicona conductiva.
Base de silicona con los cuadrados de velostat y los canales vacíos
Canales rellenos con silicona y grafito; se ven las burbujas
Resultados
ZUCC 2.0 se probó presionando cada celda con el dedo, con un programa en Processing que dibuja el mapa de presión. El sensor responde. En algunos casos una celda vecina reporta presión sin ser tocada, y algunas filas o columnas no dan lectura. Las pruebas de continuidad mostraron que todas las filas y columnas del sensor conducen, por lo que la falla se atribuye a los adaptadores, cuyos conectores diminutos dieron lugar a errores de manufactura.
Se midió la resistencia de cuadrados sueltos de velostat con un multímetro, presionando a mano:
| Tamaño | Sin presión | A 750 Pa | A 3000 Pa |
|---|---|---|---|
| 5 × 5 mm | 9 a 13 MΩ | 740 a 820 Ω | 196 a 323 Ω |
| 1 × 1 cm | 9 a 14 MΩ | 180 a 210 Ω | 87 Ω |
| 2 × 2 cm | 9 MΩ | 78 a 83 Ω | – |
La resistencia cae cuatro órdenes de magnitud con muy poca presión, y los cuadrados grandes dan lecturas más estables.
Mezclas de silicona con fibra de carbono y con grafito
Para los electrodos de SPABS se probaron mezclas de silicona con fibra de carbono picada y con grafito. Por debajo del 2 % en masa ninguna condujo. Con 2,75 % de fibra se midieron entre 5,6 y 21,4 kΩ por centímetro, y con 3,85 % de grafito, cientos de megaohmios por milímetro. Más carga impedía el curado o volvía rígida la silicona. El negro de carbón que entregó el proveedor resultó no ser conductor.
Lo que falta
No hay calibración. La tabla proviene de presiones aplicadas a mano y el mapa del sensor es cualitativo, sin relación establecida entre lectura y fuerza. La lectura celda por celda es lenta para controlar un agarre. El sensor de poliimida se dobla, pero no se estira, y su fabricación es manual.
El sensor de silicona no funciona. Además de la conductividad, la cámara de vacío disponible, de 15 inHg, no eliminó las burbujas de los canales. El autor propone insertar hilos de fibra de carbono a lo largo de los canales, usar negro de carbón conductor y siliconas de curado por calor o luz ultravioleta que den más tiempo de trabajo. Ninguno de los sensores se montó sobre un actuador: los moldes de la pinza se imprimieron, pero no se vació silicona en ellos.
Relación con Robiolab
El laboratorio trabaja con actuadores neumáticos blandos, y saber qué fuerza hacen y dónde es una necesidad repetida, como muestra la caracterización de la impedancia entre un actuador y un dedo. También las prótesis de mano del laboratorio necesitaron medir la fuerza de agarre. Este proyecto aporta un método de manufactura reproducible con herramientas de escritorio para matrices táctiles delgadas, y delimita con datos el problema que queda abierto para un sensor totalmente blando: el electrodo conductor y estirable.