Intelligente antennehuid voor nauwkeurigere communicatie in robotica

Specifieke fysieke mens-robot interacties worden steeds vaker vereist in de maakindustrie, de professionele dienstensector en de gezondheidszorg. Dit vereist verbeteringen in comfort en gemak en in de communicatie tussen mens en machine. Robots moeten menselijke acties kunnen voorspellen en intenties herkennen. En dat vraagt om flexibele metamaterialen. Meer specifiek zijn platte antennes met een meta-oppervlak en sterk geïntegreerde elektronica nodig die de nabije omgeving kunnen detecteren: een soort intelligente antennehuid. Het Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques FHR werkt samen met zes partners in het FITNESS-project van de EU aan de ontwikkeling van dit soort oppervlakken. Ze kunnen een robot bedekken als een adaptieve, intelligente antennehuid.

Vooral in de maakindustrie spelen cobots een steeds belangrijkere rol. Bij de ontwikkeling van mens-machine-interacties is de veiligheid van werknemers van het grootste belang. Dit is waar het EU-project FITNESS (Flexible IntelligenT NEarfield Sensing Skins) om de hoek komt kijken. Het project heeft als doel de communicatie en interactie tussen mens en machine te optimaliseren. Dit willen onderzoekers realiseren met intelligente antenneoplossingen in de vorm van innovatieve elektromagnetische metamateriaaloppervlakken met geïntegreerde elektronica (een intelligente antennehuid).

Flexibele metamaterialen

Verwacht wordt dat de flexibele, rekbare antennes van flexibele metamaterialen, geschikt voor het uitzenden van oppervlaktegolven, hun omgeving in de nabije omgeving veel effectiever kunnen scannen dan conventionele antennes. Daardoor kunnen ze zowel de veiligheid van de mens als de eigen prestaties van de robots verbeteren. Zes andere partners uit de industrie en de onderzoekssector werken samen met Fraunhofer FHR aan het project. Het Franse nationale centrum voor wetenschappelijk onderzoek (CNRS), eV-Technologies, de Technische Universiteit Hamburg (TUHH), de Katholieke Universiteit Leuven (UCLouvain), de faculteit elektrotechniek en informatica van de Universiteit van Zagreb en L-up. Het project wordt gecoördineerd door de UCLouvain, in België, en wordt gefinancierd door de Europese Unie.

Intelligente antennehuid

De metasurface antennes zijn platte antennes die geïntegreerd zijn in filmachtige substraten die zich aanpassen aan de contouren van de robot. Dankzij hun vlakke structuur kunnen deze antennes buigen en uitrekken 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. Zo werden ze “smart skins” (intelligente antennehuid) genoemd. “Wat onze toekomstige intelligente antennehuis speciaal maakt, is dat het de nabije omgeving kan scannen en beweging kan detecteren, terwijl het ook bedreven is in radiogebaseerde communicatie met het basisstation op de werkvloer,” zegt Andrej Konforta, 3D-Print HF Systems groepsmanager bij Fraunhofer FHR. “Tot nu toe bestaat er geen andere oplossing zoals deze op de markt.”

Kleine geometrieën, hoge mate van vrijheid

Het doel van de onderzoekers is dat de nieuwe, innovatieve intelligente antennehuid beamforming mogelijk maakt. Dat is een proces dat wordt gebruikt om de stralingseigenschappen van een antenne elektronisch te regelen. Het resultaat is dat de instelbare elektromagnetische straal altijd in de richting van het basisstation is gericht. Dat biedt een sterker en stabieler signaal en een groter bereik van de robot. Tot nu toe werd beamforming meestal ondersteund door zogenaamde “phased arrays”. “In een phased array zijn veel antennes als groep met elkaar verbonden. De fase van elk afzonderlijk antenne-element is variabel. Daardoor is het mogelijk om de richting van de array te beïnvloeden,” legt Konforta uit.

Gestroomlijnde elektronica

De technologie werd tot nu toe voornamelijk in militaire contexten gebruikt. In conventionele antenne-arrays zitten de antenne-elementen en hun elektronica dicht op elkaar gepakt. Dit zorgt voor hoge kosten, veel afvalwarmte en een grote gevoeligheid voor fouten. Een intelligente antennehuid daarentegen kan worden ontworpen met aanzienlijk gestroomlijnde elektronica. En dit 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 een nieuw ontwerpconcept na dat zeer kleine geometrieën mogelijk maakt. Geometrieën met een hoge mate van vrijheid in het ontwerp van de uitgezonden velden. Maar ook voor de best mogelijke extractie van gebarensignalen,” zegt Konforta.

Nieuwe antennesubstraten ontwikkelen

Antennes worden meestal geïntegreerd in stijve microgolfsubstraten. Er zijn ook materialen die kunnen uitrekken en dus een hoge mate van flexibiliteit bieden. De verliezen zijn echter te hoog bij deze flexibele substraten. Ze presteren niet optimaal in het hoge frequentiebereik. Dit betekent dat de conventionele substraten die op de markt verkrijgbaar zijn, niet optimaal geschikt zijn voor de transmissie van hoogfrequente signalen. Op basis van de bevindingen van Fraunhofer FHR ontwikkelt de TUHH nieuwe substraten als onderdeel van het FITNESS project.

Polymeermix

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 zullen vervolgens worden getest door Fraunhofer FHR naarmate het project vordert. Een bestaande meetopstelling wordt ook geoptimaliseerd op basis van de eerste resultaten en uitgebreid voor andere frequentiebanden. Ook ontwikkelen onderzoekers software voor de opstelling. Tegelijkertijd onderzoeken de projectpartners hoe vervormingen in de rekbare oppervlakken hun eigenschappen in het nabije en verre veld beïnvloeden. Plannen op lange termijn vragen om zelfkalibrerende antennes voor meta-oppervlakken. Doel is dat ze autonoom hun kromming en vorm herkennen om optimale signaalontvangst te garanderen en communicatieproblemen te voorkomen.

Een hele reeks toepassingen

Naast robotica in productieomgevingen zijn de projectpartners ook van mening dat medische engineering en robotica potentiële toepassingsgebieden zijn. Metasurface-antennes in de vorm van een intelligente antennehuis zouden apparaten zoals hulprobots kunnen helpen om gebaren nauwkeuriger te herkennen en beter met mensen te communiceren. Er zijn ook potentiële toepassingen voor deze technologie in persoonlijke beschermingsmiddelen voor brandbestrijding en in ruimtepakken.

Bron: Fraunhofer FHR

Foto: Onderzoek van een polymeer (Foto: Fraunhofer FHR / Alexander Balas)

Lees ook : Vijf robottrends in 2024