Des chercheurs ont conçu un patch portable capable de détecter les dangers de l’environnement – comme les gaz dangereux ou les métaux lourds dans l’eau – puis d’alerter son porteur en vibrant contre sa peau. Les chercheurs ont également étendu ces travaux pour créer une « e-skin » destinée aux dispositifs robotiques, permettant aux robots de détecter et d’éviter les dangers de leur environnement.
« Il existe déjà des capteurs capables de détecter les dangers environnementaux et d’envoyer des notifications sur votre téléphone – nous voulions améliorer ce système », explique Erim Uzunoğlu, premier auteur de l’article sur ces travaux et doctorant à l’université d’État de Caroline du Nord. « Nous avions deux objectifs pour ce travail. Tout d’abord, nous voulions miniaturiser les capteurs et les intégrer dans un patch portable afin d’identifier tout risque potentiel pour le porteur.
« Deuxièmement, si vous entrez en contact avec une substance dangereuse, vous devez le savoir le plus vite possible. Et si la notification est envoyée sur votre téléphone, vous ne la consulterez peut-être pas immédiatement. Nous voulions donc intégrer une technologie haptique dans le patch afin qu’il vibre dès la détection du danger, permettant aux personnes de réagir rapidement à la menace potentielle. »
Pour ces travaux, les chercheurs ont créé un patch carré légèrement plus petit qu’un permis de conduire. Le patch contient un microcontrôleur qui fait office de cerveau, une très petite batterie, des capteurs de surveillance de six dangers environnementaux, ainsi qu’un minuscule actionneur qui joue le rôle de moteur haptique vibrant contre la peau. L’extérieur du patch intègre également un réseau de cellules photovoltaïques en couche mince, ce qui permet à l’appareil de capter l’énergie solaire lorsqu’il est porté.
« Le simple bourdonnement d’un moteur ne suffit pas ; il faut que vous le ressentiez réellement », explique Oluwatobi Ojuade, coauteur de l’article et doctorant à NC State. « Nous avons donc conçu de minuscules surfaces texturées placées à l’interface entre le moteur et votre peau, un peu comme un motif miniature de bosses. En modifiant la taille et l’espacement de ces bosses, nous pouvons contrôler la perception de la vibration contre votre peau. Cela nous a permis d’ajuster la sensation pour qu’elle capte réellement votre attention, au lieu de ressembler à un faible bourdonnement que vous pourriez manquer. »
L’appareil déclenche également une « séquence haptique », c’est-à-dire un schéma de vibrations, différent pour chaque danger détecté. Cela permet au porteur de savoir à quel danger environnemental il doit être attentif.
« Lors des tests de validation de concept, nous avons constaté que l’appareil détectait bien les substances dangereuses et déclenchait immédiatement la réponse haptique », explique Uzunoğlu. « Nous avons également constaté que la technologie de récupération d’énergie prolongeait efficacement la durée de vie de la batterie. Combinée à la faible consommation électrique des capteurs, elle permet à l’appareil de fonctionner environ 24 heures. »
En développant le patch, les chercheurs se sont demandé s’il serait possible d’étendre ce concept à des dispositifs robotiques, afin que les robots puissent détecter les dangers de leur environnement et y réagir. Cela a conduit au développement de ce qu’ils appellent l’« e-skin » (peau électronique).
L’e-skin superpose essentiellement le patch de capteurs sur une couche de matériau piézoélectrique. Lorsque le capteur détecte un danger et déclenche la réponse haptique, la vibration produite contre la couche piézoélectrique crée un signal électrique que le robot peut détecter.
Lors des tests de validation de concept, l’e-skin a permis à des robots quadrupèdes de détecter des dangers et de modifier leur trajectoire pour les éviter.
« Le patch et l’e-skin sont en grande partie fabriqués à partir de composants du commerce, avec très peu d’éléments conçus sur mesure », explique Amay Bandodkar, coauteur correspondant de l’article et professeur adjoint de génie électrique et informatique à NC State. « Cela devrait faciliter le passage à l’échelle de cette technologie. Et le concept est extrêmement flexible : le réseau de capteurs est modulaire, on peut donc ajouter ou retirer des capteurs pour surveiller les dangers les plus pertinents selon l’application.
« Il est assez étonnant de voir que nous pouvons encoder des signaux tactiles dans des matériaux aux propriétés différentes, ce qui a été très difficile par le passé – en particulier dans des situations réelles où des personnes souhaiteraient porter le dispositif », souligne Lilian Hsiao, coautrice correspondante et professeure associée de génie chimique et biomoléculaire à NC State. « Combiner un dispositif que l’on porte, des capacités de détection sophistiquées et la possibilité d’alerter l’utilisateur est quelque chose sur quoi nous travaillons depuis longtemps. »
Résumé : Nous démontrons un dispositif portable multimodal doté d’une communication haptique qui permet aux porteurs de percevoir les dangers environnementaux par des vibrations. Le dispositif surveille les contaminants gazeux, aérosolisés et aqueux et signale les dépassements de seuil par des codes tactiles distincts. La récupération d’énergie et des méthodes de détection à faible consommation donnent un système haute fidélité fonctionnant toute la journée. La communication peut être étendue des humains aux robots grâce à une peau électronique souple (e-skin) intégrant un réseau de transducteurs noyés dans du silicone, qui résout la structure temporelle des codes tactiles. Sur un robot quadrupède, l’e-skin décode les séquences haptiques pour déclencher un re-routage adaptatif lors de la détection de dangers chimiques, sans avoir recours à la communication sans fil. Notre approche introduit un cadre dans lequel la perception chimique est communiquée physiquement plutôt qu’électroniquement, ouvrant des perspectives pour l’intelligence incarnée, la détection distribuée et les interactions homme-robot.
Article : Multimodal, wearable sensors with tactile communication capabilities for human and robotic applications – Journal : Device – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Soruce : NCSU
