Intelligente huid voor nauwkeurigere communicatie en near-field sensing in robotica

Het Fitness-project van de EU ontwikkelt metasurface-antennes die een robot bedekken als een adaptieve, intelligente huid. Het idee is dat robots hun nabije omgeving zo nauwkeuriger kunnen scannen en effectiever kunnen communiceren met hun basisstation in het verre veld.

Het project wordt gecoördineerd door KU Leuven. Andere partners zijn het Fraunhofer Instituut voor Hoogfrequente Fysica en Radartechnieken FHR, het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS), eV-Technologies, TU Hamburg (TUHH), Faculteit Elektrotechniek en Informatica van de Universiteit van Zagreb en L-up.

Specifieke fysieke interacties tussen mens en robot in de maakindustrie, de professionele dienstverlening en de gezondheidszorg vragen om verbeteringen in comfort, gemak en de communicatie tussen mens en machine. Robots moeten menselijke handelingen kunnen voorspellen en intenties kunnen herkennen. En dat vraagt ​​om flexibele metamaterialen, en meer specifiek, platte metasurface-antennes met sterk geïntegreerde elektronica die het mogelijk maken om de nabije omgeving te detecteren.

Bij het ontwikkelen van mens-machine-interacties staat de veiligheid van werknemers voorop. Hier komt het Flexible Intelligent nearfield sensing skins-project (Fitness) om de hoek kijken. Het project heeft als doel de communicatie en interactie tussen mens en machine te optimaliseren door middel van intelligente antenneoplossingen in de vorm van innovatieve elektromagnetische metamateriaaloppervlakken met geïntegreerde elektronica. De flexibele, rekbare metaoppervlakteantenne, die geschikt zijn voor het uitzenden van oppervlaktegolven, zal naar verwachting de nabije omgeving veel effectiever scannen dan conventionele antennes, waardoor zowel de veiligheid van de mens als de eigen prestaties van de robots worden verbeterd.

De metasurface-antennes zijn platte antennes die zijn geïntegreerd in filmachtige substraten die zich aanpassen aan de contouren van de robot. Dankzij hun platte structuur kunnen deze antennes buigen en rekken en zich als een huid om de robot wikkelen. Als alternatief en afhankelijk van de toepassing kunnen ze bijvoorbeeld ook alleen op de robotarm worden geplaatst. Ze worden ook ‘smart skins’ genoemd.

“Wat onze toekomstige antenneoplossing bijzonder maakt, is dat deze de nabije omgeving kan scannen en beweging kan detecteren, terwijl deze ook bekwaam is in radiogebaseerde communicatie met het basisstation op de werkvloer”, zegt Andrej Konforta, groepsmanager 3D-Print HF Systems bij Fraunhofer FHR.

Kleine afmetingen, hoge mate van vrijheid

Het doel van de onderzoekers is om met de nieuwe, innovatieve antenneoplossing beamforming mogelijk te maken, een proces dat wordt gebruikt om de stralingseigenschappen van een antenne elektronisch te regelen. Het resultaat is dat de instelbare elektromagnetische bundel altijd naar het basisstation is gericht, wat een sterker, stabieler signaal garandeert en het bereik van de robot vergroot.

Tot nu toe werd beamforming doorgaans ondersteund door zogenaamde ‘phased arrays’. “In een phased array zijn veel antennes als groep verbonden. De fase van elk afzonderlijk antenne-element is variabel, waardoor het mogelijk is om de richting waarin de array is gericht te beïnvloeden”, aldus Konforta. De technologie is eerder vooral in militaire context gebruikt.

In conventionele antenne-arrays zijn de antenne-elementen en hun elektronica dicht op elkaar gepakt. Dit levert hoge kosten, veel restwarmte en een hoge foutgevoeligheid op. Metasurface-antennes zouden daarentegen kunnen worden ontworpen met aanzienlijk gestroomlijnde elektronica, zonder de eigenschappen van de conventionele configuratie te verliezen. Het nieuwe concept kan helpen om kosten te besparen en kleinere, compactere structuren te realiseren. “Met de metamateriaaloppervlakken streven we naar een nieuw ontwerpconcept dat zeer kleine geometrieën met een hoge mate van vrijheid in het ontwerp van de uitgezonden velden mogelijk maakt, maar ook voor de best mogelijke extractie van gebaarsignalen.”

Ontwikkeling van nieuwe antennesubstraten

Antennes worden doorgaans geïntegreerd in stijve microgolfsubstraten. Er zijn ook materialen die kunnen rekken, waardoor ze een hoge mate van flexibiliteit bieden. De verliezen zijn echter te hoog bij deze flexibele substraten: ze presteren niet optimaal in het hoogfrequente bereik, zoals het Fraunhofer aantoonde.

De TUHH ontwikkelt daarom nieuwe substraten. Het Institute of Applied Polymer Physics (IAPP) gebruikt een polymeermix en polymeren met geïntegreerde keramische deeltjes om rekbare materialen te synthetiseren die mogelijk geschikt zijn voor hoge frequenties. Deze materialen worden vervolgens getest door het Fraunhofer FHR. Een bestaande meetopstelling wordt ook geoptimaliseerd op basis van de eerste resultaten en uitgebreid voor andere frequentiebanden, terwijl de software voor de uiteindelijke opstelling ook wordt ontwikkeld. Tegelijkertijd onderzoeken de projectpartners hoe vervormingen in de rekbare oppervlakken hun eigenschappen in de nabije en verre velden beïnvloeden. Langetermijnplannen vereisen zelfkalibrerende metasurface-antennes die autonoom hun kromming en vorm herkennen om een ​​optimale signaalontvangst te garanderen en communicatieproblemen te voorkomen.