Multi-functional, self-sustainable sensing components for smart skin

Elektronisen ihon valmistamiseen uusi toteutus uudella materiaalilla

Elektroninen iho on ohut, joustava ja mukautuva sähköinen materiaali, joka jäljittelee ihmisihon toiminnallisuuksia ja ominaisuuksia. Sitä voidaan käyttää laajasti terveydenhuollossa, teollisuudessa, robotiikassa sekä uuden sukupolven proteeseissa. Se mahdollistaa esimerkiksi koneiden ja laitteiden kosketuksen ja lämmön tunnistuksen, mikä lisää niiden aisteja ja vuorovaikutusmahdollisuuksia ympäristön ja ihmisen kanssa. Seuraavien vuosikymmenien aikana elektroninen iho tulee olemaan yksi avainteknologioista yhteiskunnallisessa muutoksessa kohti älykästä automaatiota sekä ihmisen ja koneen evoluutiota.

Oulun yliopiston mikroelektroniikan tutkimusyksikön tutkijat ovat käynnistäneet projektin, jonka tavoitteena on kehittää täysin uudenlainen elektronisissa ihoissa käytettävä anturikomponentti ja valmistella sen tulevaa kaupallistamista. Kyseessä oleva anturikomponentti perustuu Oulun yliopistossa kehitettyyn KNBNNO-materiaaliin, joka kykenee muuntamaan mekaaniset (esimerkiksi kosketus, paine ja voima), termiset (muutokset lämpötilassa) ja optiset (esimerkiksi näkyvä ja ultravioletti valo) signaalit samanaikaisesti sähköisiksi signaaleiksi. Tämä tekninen läpimurto laajentaa useiden nykyisten älykkäiden anturitekniikoiden ominaisuuksia ja mahdollistaa entistä paremman anturi-integraation.

Projektissa KNBNNO-materiaalista kehitetään elektronisen ihon valmistuksessa sovellettavia monitoimisia anturimatriiseja, joita voidaan hyödyntää robotiikassa, proteeseissa, terveydenhuollossa ja puettavassa iholle kiinnitettävässä elektroniikassa. KNBNNO:n ainutlaatuinen kilpailuetu on mekaanisen, termisen ja optisen signaalien tunnistaminen samalla materiaalilla, mikä tekee siitä markkinoiden edistyneimmän tunnistuselementin elektronisille ihoille. Projektin rahoittavat Business Finland ja Oulun yliopisto.


Kertokaa tiimistänne ja erityisaloistanne, keitä te olette?

Meillä on projektissa mukana sekä tutkimus- että kaupallistamistiimit. Tutkimustiimin muodostavat tohtorit Yang Bai, Jaakko Palosaari ja Jari Juuti jotka kaikki ovat Oulun yliopiston mikroelektroniikan tutkimusyksikön tutkijoita.

Bai on kehittänyt projektissa hyödynnettävän KNBNNO-materiaalin ja hän on erikoistunut edistyneisiin energiankeruu- ja anturimateriaaleihin lähes 10 vuoden ajan, tohtoriopinnot mukaan lukien. Tällä hetkellä hän toimii pienitehoisten omavaraisten anturijärjestelmien apulaisprofessorina. Palosaari on mikroelektroniikan tutkimusyksikön tutkijatohtori. Hän on suunnitellut, valmistanut ja karakterisoinut pietsosähköisiä laitteita yli 10 vuoden ajan. Hänellä on laaja kokemus värähtelevien mikromekaanisten rakenteiden toteuttamisesta ja mittausten suorittamisesta sekä laboratorio-olosuhteissa että käytännön sovelluksissa. Juuti toimii yliopistotutkijana ja hänellä on yli 20 vuoden kokemus T&K-työstä pietsosähköisten materiaalien, funktionaalisten komposiittien, toimilaitteiden, moottorien ja energiankeräimien parissa liittyen erilaisiin mikromekaniikan, korkean taajuuden ja printattavan elektroniikan sovelluksiin. Hän on toiminut kymmenissä EU:n, Suomen Akatemian, TEKES/Business Finlandin, MATINEn ja yritysten rahoittamissa tutkimushankkeissa.

Kaupallistamistiimin muodostavat KTM Miika Miinala, DI Eira Hurskainen sekä TkT, työelämäprofessori Janne Haverinen ja innovaatioasiamies Pekka Räsänen.

Miinala on suorittanut kansainvälisen liiketoiminnan tutkinnon, ja hänellä on laaja kaupallinen kokemus kansainvälisestä myynnistä ja liiketoiminnan kehittämisestä, yritysrahoituksesta sekä liikkeenjohdon konsultoinnista eri toimialoilla. Hurskainen on insinööritaustainen liike-elämän ammattilainen ja kokenut markkinatutkija ja liiketoiminnan kehittäjä. Haverinen on Indoor Atlasin perustaja, yrittäjä, keksijä ja tieteentekijä. Hänen nimissään on yli 10 patenttia ja 25 patenttihakemusta. Hän on myös Oulun yliopiston työelämäprofessori. Räsänen on teollis- ja tekijänoikeuksien asiantuntija, jolla on pitkän linjan kokemus immateriaalioikeuksien hallinnasta ja teknologian siirroista.


Mikä on teidän lähestymistapanne älykkääseen ihoon, ja miten se eroaa muista?

Tämän projektin perustavana ydinteknologiana on uusi funktionaalinen materiaali, joka pystyy muuntamaan samanaikaisesti valon, lämmön ja liikkeen sähköksi. Siksi sitä voidaan käyttää monisensorijärjestelmissä ja/tai energiankeruuseen useasta lähteestä. Materiaalilla on arvoa monilla eri markkinoilla, missä e-iho on yksi vaihtoehdoista, joiden kaupallistamismahdollisuuksia haluamme tutkia pidemmälle. Tämän uuden KNBNNO-materiaalin avulla kolme perinteistä anturia voidaan yhdistää yhdeksi, mikä säästää sekä kustannuksia että karkeasti laskettuna 2/3 tilantarpeesta. Ratkaisumme eroaa muista eniten siinä, että yksi materiaali tai komponentti mahdollistaa useita sensoritoimintoja. Se on siis eräänlainen all-in-one-sensoriratkaisu, joka on kilpaileviin monisensoriratkaisuihin verrattuna perustavalla tavalla edistyksellisempi. 


Kenelle tutkimustuloksista on hyötyä, ja miten?

Yksi esimerkki on robotiikka. Teollisuudessa käytetään robottikäsiä, -raajoja ja -ajoneuvoja automaattiseen massatuotantoon sekä tehtävien suorittamiseen ankarissa tai vaikeapääsyisissä paikoissa. Ne tarvitsevat monia ihmisen ihon aistitoimintoja, kuten paineen, kiihtyvyyden, kitkan, lämpötilan ja valon tunnistamista vastaavia sensoritoimintoja, jotta käyttäjät saisivat tarkkaa palautetta ja voisivat etäohjata robottitoimintoja paremmin. Teknologiamme ansiosta pieni robottisormen kärjen alue voi ”tuntea” ihmisen ihon tavoin tunnistamalla valon, lämmön ja voiman tuottamia signaaleja. Ratkaisumme tekee järjestelmien suunnittelusta ja integroimisesta paljon nykyistä yksinkertaisempaa. Käyttäjät, kuten robottiteollisuus, voivat siis säästää merkittävästi materiaali-, suunnittelu- ja integrointikustannuksissa.


Mikä on tutkimuksenne keskeisin tavoite, mitä odotatte saavuttavanne?

Tutkimuksen keskeisin tavoite on uuden teknologian ja konseptin toimivuuden ja etujen osoittaminen eri sektoreilla, kuten robotiikassa, hyvinvointialalla ja puettavissa laitteissa. Kaupallistamistoimintojen keskeisin tavoite on luoda suhde potentiaalisiin kumppaneihin ja tunnistaa tuleva liiketoimintamalli, joiden kautta voidaan valmistautua markkinoille siirtymiseen projektin jälkeen.
 

Mikä on tavoitteenne lähitulevaisuudessa? Miksi tämä ala on tärkeä ja mielenkiintoinen?

Älykäs sensorointi ja esineiden internet luovat perustan lähitulevaisuudessa toteutuville konsepteille, kuten älykkäille kaupungeille ja yhteiskunnille sekä teollisuus 4.0:lle. Turvallisuuden, mukavuuden ja vaivattomuuden takaamiseksi tarvitaan lukematon määrä kaikkiin ihmiselämän eri osa-alueisiin liittyviä antureita. Teknologiamme auttaa ratkaisemaan haasteita mahdollisimman monien signaalien havaitsemiseen ja suuren tietomäärän samanaikaiseen keräämiseen liittyen sovellusten vaatimassa tilavuudessa. Viime kädessä se edistää edellä mainittujen älykkäiden konseptien kehittämistä.  


Mihin ongelmaan, ilmiöön tai kysymykseen tutkimustulokset vastaavat?

Yhtenä tavoitteena on löytää uutta KNBNNO-materiaaliamme parhaiten hyödyntävä sovellusalue. Materiaali syntyi uteliaisuuteen perustuneesta tieteellisestä tutkimuksesta ilman etukäteen mietittyä markkinaa, joten nyt tehtävänä on rajata sovellusalue ja saada jalansija tällä markkina-alueella.


Kenelle tutkimuksella ja sen tuloksilla on merkitystä, ja missä tuloksista voi olla hyötyä?

Mahdollisia hyötyjiä ovat kaikki, jotka käyttävät tai haluavat käyttää antureita ja monisensoriratkaisuja teollisuudessa tai kulutuselektroniikassa. Ratkaisumme ovat yksinkertaisempia suunnitella ja integroida nykyisiin ratkaisuihin verrattuna. Tilansäästö puolestaan avaa mahdollisuuksia suorituskyvyn kasvattamiseen esim. spatiaalisen resoluution suhteen. Siksi käyttäjät, esimerkiksi robotiikkateollisuus, voivat hyötyä huomattavasti pienemmistä materiaali-, suunnittelu- ja integrointikustannuksista sekä lopputuotteen paremmista ominaisuuksista.


Minkälaista tieteellistä merkitystä odotatte tuloksilla olevan?

Projektin onnistuminen innostaa tiedeyhteisöä kehittämään materiaalia edelleen niin, että se kykenee suorittamaan monisensoritehtäviä ja energiankeruuta useasta lähteestä entistä paremmin. Teknologiakonseptimme ratkaisee haasteen useiden signaalien samanaikaisesta keräämisestä, maksimoiden saatavissa olevan tietomäärän, joka myötävaikuttaa uusien älykkäiden konseptien kehittämiseen. KNBNNO ja sitä seuraavat materiaaliperheet voivat tulevaisuudessa korvata monimutkaiset monianturiratkaisut yhdellä, kokoa säädettävällä materiaalilla.


Suunnitteletteko yrityksen perustamista tulevaisuudessa?

Yrityksen perustaminen on ehdottomasti yksi vaihtoehto projektin jälkeisen liiketoiminnan malliksi. Se on ykkösvaihtoehto, mutta tutkimme tarkoin useita kaupallistamisvaihtoehtoja projektin edetessä ja valitsemme niistä tälle teknologialle sopivimman.

 



Lisää aiheesta tutkimusjulkaisussa:

Published paper “A Single‐Material Multi‐Source Energy Harvester, Multifunctional Sensor, and Integrated Harvester–Sensor System—Demonstration of Concept”.

Viimeksi päivitetty: 18.12.2020