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npj Flexible Electronics volume 6, Numéro d'article : 65 (2022) Citer cet article

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Dans de nombreux systèmes de capteurs logiciels, les câbles externes permettant de connecter les capteurs aux circuits de commande ont posé des problèmes pratiques, en termes de format compact et de robustesse physique. Cette étude propose une conception de réseaux de capteurs souples pouvant fonctionner avec un nombre de fils considérablement réduit sans dégrader les performances d'origine. Le concept proposé est un ensemble de modules de détection douce, chacun constitué d'une inductance et d'un condensateur intégrés à côté du module de détection résistive, construisant un filtre passe-bande résistance-inductance-condensateur. En ajustant les valeurs de la capacité et de l'inductance, une bande de fréquence unique est attribuée à chaque module de détection, permettant une détection distinctive en utilisant seulement deux fils externes, quel que soit le nombre de modules. La fonctionnalité de détection multi-touch du système est modélisée analytiquement et caractérisée expérimentalement. Tirant parti de la conception, un capteur tactile du bout du doigt et un capteur de pression de la semelle intérieure sont présentés comme applications pratiques.

Les progrès récents dans les technologies électroniques flexibles et extensibles ont créé diverses nouvelles applications de capteurs souples dans le domaine de la peau artificielle1,2,3,4,5,6,7,8 ou des robots portables9,10,11,12,13,14, profitant de leur conformité mécanique qui facilite la conformation physique des capteurs aux surfaces des structures hôtes de formes diverses15,16,17. Un système robotique nécessite souvent plusieurs capteurs pour obtenir une quantité suffisante de données, et un ensemble de capteurs avec une intégration compacte peut non seulement couvrir une vaste zone d'intérêt, mais fournit également une résolution spatiale élevée18,19,20,21,22,23, 24. Cependant, les multiples composants électroniques qui composent un réseau de capteurs nécessitent généralement une configuration matérielle plus complexe25,26,27. En particulier dans les capteurs souples, plusieurs fils de signal entraînent des problèmes pratiques, tels que la fragilité mécanique, les interférences physiques entre les fils adjacents et la complexité du système. Néanmoins, dans les études sur les capteurs logiciels, cette question n'a pas été sérieusement prise en compte jusqu'à présent, malgré son importance pratique.

Plus précisément, les fils d'un système robotique souple induisent des contraintes physiques lorsque le système subit de grands mouvements dynamiques. Dans ce cas, les fils doivent être suffisamment longs pour couvrir l'espace de configuration sans interférer avec les autres composants ni s'emmêler. De plus, dans les systèmes robotiques souples typiques, les connexions mécaniques entre les capteurs souples et les fils ordinaires sont généralement les zones les plus fragiles en raison des interfaces physiques entre les matériaux rigides et souples avec des concentrations de contraintes élevées28. Cela devient plus problématique lorsque plusieurs capteurs sont implémentés sous forme d’un réseau contenant inévitablement des connexions de câblage plus complexes. De plus, la réparation des fils dans les systèmes logiciels nécessite souvent un processus manuel fastidieux, et parfois l'ensemble du réseau doit être remplacé en raison de pannes de câblage.

Un moyen simple d'atténuer ces problèmes consiste à utiliser moins de fils afin de minimiser les risques de défaillance des fils ou des connexions. Auparavant, il existait plusieurs approches pour construire des réseaux de capteurs souples avec un nombre réduit de fils. L'une des méthodes les plus courantes consiste à connecter tous les modules de détection en série avec une ligne électrique et à ajouter des fils de signal aux nœuds entre les modules adjacents1,29. Cependant, cette approche nécessite au moins le même nombre de fils de signal que celui des capteurs, et elle devient encore moins pratique si un nombre important de capteurs est utilisé. Bien qu'il soit possible d'utiliser un multiplexeur pour balayer les signaux de sortie à travers les modules30,31, le temps de traitement se dégrade avec l'augmentation du nombre de capteurs. Une autre approche consiste à configurer le réseau de capteurs selon un motif de grille comportant plusieurs couches32,33. Par rapport à la connexion série, la disposition en grille a tendance à utiliser moins de fils lorsque le nombre de modules de détection augmente. Cependant, les réseaux de capteurs de type grille souffrent souvent d'un effet de touche fantôme, ne parvenant pas à démontrer une fonctionnalité multi-touch complète. Bien qu’un effet de clé fantôme puisse être résolu en utilisant une diode ou un multiplexeur supplémentaire, cela augmente la complexité du système ainsi que le facteur de forme26,27. Il y a eu une étude récente pour suivre plusieurs capteurs logiciels avec un fil à sortie unique en utilisant l'apprentissage automatique34,35, qui nécessite cependant un processus de formation avec une quantité de données relativement importante. En supposant que chaque module de détection nécessite une seule entrée et une seule sortie, la figure supplémentaire 1 compare numériquement le nombre de fils requis pour chaque approche avec le nombre de modules de détection.