智能皮肤可实现机器人更精确的通信和近场感应
制造业、专业服务业和医疗保健行业对人机特定物理交互的需求日益增加。这需要提高舒适度和便利性以及人机之间的通信。机器人需要能够预测人类的行为并识别意图。这就需要柔性超材料，更具体地说，需要具有高度集成电子元件的平面超表面天线，以便能够感知附近的环境。
弗劳恩霍夫高频物理和雷达技术研究所 (FHR) 与欧盟 FITNESS 项目的六个合作伙伴合作开发了这种表面，它们像一层自适应智能皮肤一样覆盖在机器人身上。其理念是，配备超表面天线的机器人将能够更准确地扫描近场环境，并与远场基站更有效地通信。
机器人在工业制造领域发挥着越来越重要的作用。顺应这一趋势，人与机器人之间的物理交互已成为一项关键技术，有助于提高生产流程的效率。
在开发人机交互时，工人安全至关重要。欧盟的 FITNESS（灵活智能近场传感皮肤）项目正是为此而生。该项目旨在通过采用集成电子元件的创新电磁超材料表面形式的智能天线解决方案来优化人机之间的通信和交互。
这种柔性、可拉伸的超表面天线适用于发射表面波，预计能够比传统天线更有效地扫描近场周围环境，从而提高人类安全和机器人自身的性能。
该项目由来自工业和研究领域的另外六个合作伙伴与 Fraunhofer FHR 合作开展：法国国家科学研究中心 (CNRS)、eV-Technologies、汉堡工业大学 (TUHH)、鲁汶天主教大学 (UCLouvain)、萨格勒布大学电气工程与计算机学院和 L-up。该项目由比利时的 UCLouvain 协调，并由欧盟资助，资助编号为 GA No. 101098996。
具有感知和通讯功能的智能天线皮肤
超表面天线是集成在薄膜状基板中的平面天线，可适应机器人的轮廓。由于其扁平结构，这些天线可以弯曲和伸展，像皮肤一样包裹在机器人周围。或者，根据应用情况，它们也可以仅放置在机器人手臂上。这就是它们被称为“智能皮肤”的原因。
“我们未来的天线解决方案的独特之处在于，它可以扫描近场环境并检测运动，同时还能与车间基站进行无线电通信，”Fraunhofer FHR 3D 打印高频系统集团经理 Andrej Konforta 说道。“目前市场上还没有其他类似的解决方案。”
几何尺寸小，自由度高
研究人员的目标是让这种新颖的创新天线解决方案实现波束成形，这是一种通过电子方式控制天线辐射特性的过程。结果是可调节的电磁波束始终面向基站，从而保证信号更强、更稳定，并增加机器人的探测范围。到目前为止，波束成形通常由所谓的“相控阵”支持。
“在相控阵中，许多天线连接成一个组。每个天线单元的相位都是可变的，这使得可以影响阵列的朝向，”Konforta 解释道。
该技术此前主要用于军事领域。在传统天线阵列中，天线元件及其电子设备紧密排列在一起。这会产生高成本、大量废热，并且极易出错。
另一方面，超表面天线可以采用显著简化的电子元件设计，而不会失去传统配置的特性。新概念有助于降低成本并实现更小、更紧凑的结构。
“通过超材料表面，我们正在追求一种新的设计理念，这种理念不仅可以设计出非常小的几何形状，而且在发射场的设计上具有很高的自由度，而且还可以尽可能好地提取手势信号，”Konforta 说。
开发新型天线基板
天线通常集成在刚性微波基板中。也有材料可以拉伸，从而提供高度的灵活性。然而，这些柔性基板的损耗太高。正如弗劳恩霍夫 FHR 研究人员开发的测量技术所显示的那样，它们在高频范围内表现不佳。这意味着市场上现有的传统基板并不是传输高频信号的最佳选择。
根据 Fraunhofer FHR 的研究成果，TUHH 正在开发新的基材，作为 FITNESS 项目的一部分。应用聚合物物理研究所 (IAPP) 正在使用聚合物混合物和集成陶瓷颗粒的聚合物来合成可能适用于高频的可拉伸材料。随着项目的推进，这些材料将由 Fraunhofer FHR 进行测试。
现有的测量装置也正在根据初步结果进行优化，并扩展到其他频段，同时最终装置的软件也正在开发中。与此同时，项目合作伙伴正在研究可拉伸表面的变形如何影响其在近场和远场中的特性。
长期计划要求自校准超表面天线，能够自主识别其曲率和形状，以确保最佳信号接收并防止通信问题。
大量应用程序
除了生产环境中的机器人技术外，项目合作伙伴还认为医学工程和机器人技术也是潜在的应用领域。智能皮肤形式的超表面天线可以帮助辅助机器人等设备更准确地识别手势并与人类进行更多互动。该技术还可能用于消防个人防护设备和太空服。
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