Projeto e Caracterização de uma Pele Eletrônica Multimodal Flexível com Aquisição de Dados Baseada em CPLD para Intensidade Tátil e Reconhecimento de Gestos

Resumo

Esse protocolo descreve a fabricação e operação de um sistema eletrônico flexível e multimodal de pele. Ele utiliza um backend baseado em CPLD para alcançar aquisição sincronizada de dados em frequência híbrida a partir de 36 canais de sensores, permitindo a análise quantitativa de gestos táteis complexos para percepção robótica avançada e interação humano-robô.

Resumo

Este trabalho apresenta o design e caracterização de uma plataforma eletrônica multimodal flexível (e-skin) que suporta sensoriamento tátil de alta resolução e reconhecimento de gestos por meio de um sistema de aquisição de dados baseado em CPLD. O sistema integra uma arquitetura híbrida de amostragem de frequência de 36 canais e 14 bits (2 kHz, 1 kHz, 100 Hz), com suporte em nível de hardware para pressão, aceleração, luz, temperatura e sinais ambientais. Um substrato flexível FPC permite a integração conforme em superfícies robóticas curvas enquanto mantém a estabilidade mecânica. Para demonstrar a capacidade de percepção tátil, este estudo foca no canal de detecção de pressão, que serve como a principal modalidade para estimativa da força de contato e dinâmica de gestos. Quatro interações humanas representativas: toque suave, toque, beliscão leve e beliscão forte, foram analisadas. Duas métricas adimensionais, assimetria equivalente da forma de onda e carga equivalente, foram introduzidas para distinguir as categorias de intensidade de força e gestos. Resultados experimentais mostram que o sistema alcança separação clara de gestos e resposta viscoelástica semelhante à pele, com um tempo médio de descarga de 0,4 s ± 0,2 s. A transmissão de dados sem fio em tempo real a 1,5 Mbps é suportada, e o design modular fornece uma base escalável para a integração futura de modalidades adicionais. Este trabalho estabelece uma estrutura de hardware para interação tátil humano-robô baseada em força e gestos, com capacidade extensível para sistemas perceptivos multimodais.

Introdução

A detecção tátil tem sido amplamente investigada para percepção^{robótica 1,2}, porém, a maioria dos sistemas eletrônicos de pele (e-skin) ainda depende de configurações monomodales e de baixa densidade, que podem limitar a interpretação do toque humano complexo. Apesar dos avanços significativos em materiais táteis flexíveis e arquiteturas^{de dispositivos 3}, a integração em nível de sistema da detecção tátil multimodal e multicanal com aquisição em tempo real de alta precisão apresenta desafios técnicos^{contínuos 4}. Consequentemente, questões-chave como sincronização de sinais, coordenação de tempo e otimização do throughput de dados exigem tratamento sistemático em sistemas táteis em grande escala ou com alta contagem^{de canais 5}. Para atender a esses requisitos, é necessária uma arquitetura front-end de alta largura de banda capaz de gerenciar fluxos de dados multicanais sincronizados, preservar a integridade do sinal e suportar caracterização quantitativa de gestos e ^{forças 6,7,8}.

Sistemas multimodais e-skin surgiram como um desenvolvimento significativo para permitir que plataformas robóticas emulem as complexas capacidades de detecção tátil da pele humana. Sensores tradicionais de modalidade única, que detectam apenas pressão ou temperatura normal, podem não capturar totalmente a natureza complexa e dinâmica das interações táteis no mundo real. Em contraste, sistemas multimodais inspirados no ser humano são projetados para detectar múltiplos tipos de estímulos táteis em tempo real, incluindo força de cisalhamento, vibração e pistas térmicas. Por exemplo, Lee et al. desenvolveram um sistema de percepção tátil bioinspirado capaz de detecção em tempo real através de quatro canais sensoriais distintos, que melhorou o reconhecimento de textura, modo de contato e estados de interação^{com objetos 9}.

Avanços recentes em eletrônica flexível ampliaram ainda mais os horizontes desses sistemas multimodais, especialmente por meio do desenvolvimento de uma skin eletrônica sofisticada (e-skin) que imita a conformidade mecânica e a alta sensibilidade dos tecidos biológicos. Por exemplo, a exploração de materiais ativos inovadores e projetos estruturais hierárquicos levou a plataformas e-skin de próxima geração com sensibilidade tátil sem precedentes e^{multifuncionalidade 10}. Além da inovação em materiais, a transição para aplicações em larga escala exige técnicas de fabricação robustas e escaláveis. A eletrônica impressa surgiu como uma solução fundamental, permitindo a integração precisa e econômica de matrizes de sensores de alta densidade em diversos substratos elastoméricos, mantendo o desempenho^{do dispositivo 11}.

Para garantir a confiabilidade desses sistemas em cenários práticos, os pesquisadores estão cada vez mais focados em otimizar as propriedades eletromecânicas e os mecanismos de detecção dos sensores flexíveis para mitigar diafonia de sinais e interferência^{ambiental 12}. Em última análise, o paradigma atual na área está mudando de componentes sensoriados isolados para plataformas totalmente integradas, inteligentes e flexíveis, que sinergizam materiais avançados com estruturas de processamento de sinais^{de alta eficiência 13}.

No entanto, integrar múltiplas modalidades de detecção em um array unificado apresenta desafios substanciais no acoplamento de sinais, sincronização e interpretação de dados. Kong et al. destacaram a necessidade de estratégias robustas de integração e desacoplamento em matrizes de sensores multimodais de alta densidade para garantir isolamento preciso do sinal e minimizar a^{diafonia 14}. Além disso, o comportamento mecânico do substrato de detecção macia influencia significativamente a fidelidade do sinal. Mu et al. demonstraram que a natureza viscoelástica dos compósitos poliméricos condutores pode induzir deriva de sinal e histerese, enfatizando o papel da modelagem de materiais e das estratégias de compensação em nível de sistema em plataformas multimodais ^{de detecção 15}. Coletivamente, esses achados sugerem que desenvolver sistemas multimodais de e-skin de alta largura de banda, conscientes da viscoelasticidade e desacoplados é essencial para avançar a percepção tátil inteligente em robótica e interfaces^{homem-máquina 16} .

Para garantir a aquisição em tempo real de sinais táteis multicanais com latência mínima e alta integridade do sinal, foi adotado um complexo framework de aquisição baseado em dispositivo lógico programável (CPLD). Estudos anteriores demonstraram que os CPLDs são adequados para gerenciar pipelines de dados de alta velocidade e fluxos de sinais críticos em termos de tempo em sistemas^{de sensores 17,18}.

Comparado às arquiteturas tradicionais de aquisição de dados, essa abordagem híbrida sincronizada baseada em CPLD oferece várias vantagens distintas. Embora sistemas baseados em unidades de microcontrolador (MCU) frequentemente dependam de sincronização em nível de software ou sondeamento sequencial, eles são propensos a jitter de temporização não determinístico e latência de interrupção, o que pode comprometer o alinhamento da fase do sinal em contagens elevadas^{de canal 19}. Em contraste, a arquitetura baseada em lógica de hardware de um CPLD garante execução estritamente paralela e temporização determinística em nível de nanossegundos para todos os 36 canais. Além disso, enquanto as matrizes de portas programáveis em campo (FPGAs) oferecem maior poder computacional, as CPLDs oferecem uma solução mais econômica e eficiente em consumo energético para a profundidade lógica exigida em máquinas de estados híbridas de frequência, facilitando estabilidade a longo prazo em aplicações vestíveis de e-skin. Além disso, ao contrário dos métodos de multiplexação de canais inferiores que sacrificam a largura de banda efetiva de amostragem por canal, a arquitetura sincronizada proposta mantém uma taxa consistente de 2 kHz para modalidades táteis, superando os gargalos da fusão heterogênea de dados identificados na literatura^{recente 19}.

Este estudo apresenta uma pele eletrônica flexível multimodal integrada a um sistema de aquisição baseado em CPLD. O sistema suporta 36 canais de amostragem híbrida de frequência de 14 bits, operando a 2 kHz para canais táteis dinâmicos e 100 Hz para modalidades auxiliares, incluindo aceleração, temperatura, umidade, iluminação e sensores sonoros (Figura 1). O sistema integra esses sensores heterogêneos em um substrato flexível de circuito impresso (FPC), garantindo tanto adaptabilidade mecânica quanto estabilidade elétrica. Uma camada de encapsulamento^{viscoelástico 15}, segmentada em pequenas unidades retangulares, foi adotada para melhorar a adaptabilidade à deformação local e a estabilidade do contato durante interações táteis.

Quanto à adequação prática, a arquitetura de amostragem paralela de alta velocidade é otimizada para capturar eventos táteis rápidos e impulsivos, como tapping ou deslizamento de textura em um ambiente de laboratório controlado. No entanto, as restrições operacionais incluem a possível degradação da fidelidade do sinal devido à deriva viscoelástica e histerese do substrato mole, o que exige calibração periódica ou compensação baseada em software. Além disso, embora o sistema seja escalável para maior número de canais, a implementação atual é limitada pela largura de banda da transmissão sem fio para visualização em tempo real.

O CPLD gerencia aquisição sincronizada em multicanal e transmissão de dados sem fio, garantindo desempenho estável em tempo real. Essa abordagem permite a coleta multimodal de sinais de alta densidade e fornece uma base de hardware escalável para a percepção tátil robótica. Para avaliar a discriminação tátil, quatro gestos representativos — toque suave, toque, beliscão leve e beliscão forte — foram analisados experimentalmente.

Este trabalho foca em demonstrar a viabilidade e a integridade do sinal da arquitetura multimodal e-skin de alta largura de banda. A detecção de pressão é implementada usando um mecanismo piezoresistivo baseado em material viscoelástico de detecção, um composto polimérico condutor caracterizado por resistividade de volume de <500 Ωcm. Nessa configuração, a pressão mecânica altera a resistência de contato dentro do material, que é posteriormente capturada pelo sistema de aquisição. Canais de pressão foram selecionados como a modalidade representativa para validar a aquisição em tempo real e a qualidade dos dados. Embora o sistema suporte modalidades adicionais como aceleração e temperatura, sua implementação e análise são reservadas para estudos futuros específicos de aplicação.

Para enfrentar os desafios da aquisição de dados táteis de alta densidade, este trabalho utiliza uma arquitetura de hardware baseada em CPLD integrada a um módulo Wi-Fi 6. Como mostrado na Figura 2, o sistema foi projetado para gerenciar 36 canais com resolução de 14 bits a uma taxa de amostragem de alta velocidade de 2 kHz, gerando uma taxa bruta de dados de aproximadamente 1,01 Mbps. Ao aproveitar o protocolo 802.11ax, a plataforma alcança uma taxa de transmissão estável e eficaz de 1,5 Mbps, mantendo uma taxa de perda de pacotes inferior a 0,2% em ambientes laboratoriais típicos. Essa abordagem baseada em lógica de hardware elimina o jitter de temporização não determinístico e a latência de interrupção comuns em arquiteturas tradicionais baseadas em MCUs, ao mesmo tempo em que oferece uma alternativa mais eficiente em termos de energia e custo-benefício às soluções baseadas em FPGA. Um pipeline de dados tão robusto garante a sincronização precisa em tempo real e a integridade do sinal necessárias para o reconhecimento de gestos complexos e a detecção tátil multimodal.

Dois indicadores adimensionais foram definidos: assimetria equivalente da forma de onda (EWS) e carga equivalente (EL). O EW quantifica a assimetria temporal da forma de onda da resposta tátil, enquanto o EL representa a intensidade total da força integrada ao longo da duração do contato. A análise desses indicadores revelou assinaturas mecânicas distintas para cada gesto, com um tempo médio de descarga de 0,4 s ± 0,2 s, sugerindo que a resposta viscoelástica do substrato contribui para as características temporais capturadas pelo sistema.

Esses resultados demonstram a viabilidade de intensidade tátil precisa e reconhecimento de gestos usando aquisição sincronizada e multimodal. O sistema proposto, portanto, fornece uma plataforma funcional de front-end para análise tátil quantitativa e estabelece uma base para futuros desenvolvimentos em interação humano-robô afetiva ou relacionada a emoções.

Protocolo

Todos os procedimentos experimentais descritos aqui foram não invasivos e não envolveram animais ou humanos clínicos; portanto, não foi necessária aprovação ética para este estudo. Os reagentes e os equipamentos utilizados estão listados na Tabela de Materiais.

1. Fabricação de sensores

1. Preparação e integração do sensor viscoelástico
   1. Marque as dimensões alvo [por exemplo, 5 mm x 5 mm] no material viscoelástico de detecção usando uma régua de precisão e um marcador permanente de ponta fina para garantir a precisão dimensional. Corte o material ao longo das linhas marcadas usando tesouras afiadas de ponta fina. Realize os cortes em um único movimento contínuo sempre que possível para garantir bordas limpas e minimizar a deformação mecânica ou desfiamento nos limites.
   2. Limpe as almofadas de montagem superficial do Circuito Impresso Flexível (FPC) usando [por exemplo, álcool isopropílico e um lenço sem fiapos] para remover contaminantes e garantir a adesão ideal (Figura 1).
   3. Ligue as peças do material viscoelástico às almofadas de montagem superficial do FPC usando um adesivo condutor.
   4. Aplique uma fina camada de resina curável por UV ao redor da base do material sensor para encapsular a junta adesiva. Cure a resina usando uma fonte de luz UV em comprimento de onda de 365 nm com intensidade de 100 mW/cm² por 5 minutos.
   5. Verifique a continuidade elétrica do sensor montado usando um multímetro digital.
      NOTA: Os valores de resistência devem estar na faixa de 5 kΩ a 20 kΩ sob condições de carga zero.
   6. Aplique pressão externa e meça a mudança correspondente na resistência para caracterizar as propriedades sensíveis à pressão do dispositivo montado.

2. Implementação do conselho de aquisição de dados

1. Configuração do sistema de aquisição de dados multi-taxa
   1. Integre os circuitos analógicos de frente e de conversão de dados em um único substrato flexível FPC (Figura 3).
   2. Utilize cinco interruptores analógicos de 8 canais (Figura 4A) para seleção de canais do sensor. Conecte-os com três conversores analógico-digital (ADCs) paralelos de 14 bits de 14 bits (Sucessão de Aproximação Registradora) (Figura 4B) para digitalização de sinais.
   3. Conecte o ADC e a rede de comutação a um Dispositivo Lógico Programável Complexo (CPLD) para gerenciar o endereçamento de canais, controle de temporização e sincronização.
   4. Fixe firmemente o sensor FPC à placa de aquisição usando um conector FPC de 40 pinos. Certifique-se de que o mecanismo de travamento esteja totalmente engatado para evitar instabilidade do sinal.
2. Controle de sistemas e manuseio de dados baseados em CPLD
   1. Programe a lógica do CPLD para conduzir síncronamente todos os ADCs, gerando sinais de temporização precisos de acordo com os intervalos de amostragem requeridos.
   2. Configure as portas lógicas internas do CPLD para coordenar comutações de canal de alta velocidade e funda os fluxos de dados paralelos dos três ADCs em um pacote de dados unificado.
   3. Transmita os dados mesclados via uma interface serial a uma taxa de bauds de 1,5 Mbps para um módulo Wi-Fi para comunicação sem fio em tempo real com um computador hospedeiro.
3. Interface ADC para amostragem híbrida em frequência
   1. Controle cada um dos três ADCs SAR independentes de 14 bits por meio de uma interface serial dedicada de 3 fios composta por linhas Chip Select (CS#), Serial Clock (SCLK) e Serial Data (SDATA) gerenciadas pelo CPLD.
   2. Implemente divisores de clock específicos de canal dentro da arquitetura CPLD para gerar as taxas de amostragem distintas necessárias para as modalidades de 2 kHz, 1 kHz e 100 Hz (Figura 5).
   3. Armazene cada quadro amostrado em um buffer temporário em relação a uma referência de base de tempo comum. Afirme uma flag de validez de dados de um único uso dentro da lógica para sinalizar que os dados estão prontos para transmissão descendente.
4. Implementação da sincronização de amostragem baseada em fatias de tempo
   1. Defina um quadro global de amostragem de 10 ms no CPLD como o período base de agendamento e divida-o em dez fatias de tempo uniformes de 1 ms.
   2. Atribua um ou mais intervalos de tempo fixos dentro desse quadro de 10 ms a cada um dos 36 canais de sensores com base na frequência de amostragem designada.
   3. Monitore o esquema de escalonamento determinístico para manter o alinhamento estrito de fases entre todos os grupos e quadros de ADC, garantindo aquisição de dados híbridos de frequência síncrona.

Resultados

Esse protocolo permite a caracterização quantitativa e diferenciação de gestos táteis distintos aplicados à pele eletrônica (e-skin). Fixe a amostra de e-pele na plataforma de teste. Um único operador então executa quatro ações táteis definidas: toque suave, batidas, beliscadas leves e beliscadas fortes, de acordo com os parâmetros listados na Tabela 1. O gesto de "toque suave" envolvia colocar repetidamente um dedo levemente em uma única unidade de pele elétrica por cerca de 1 minuto para garantir repet...

Discussão

O mecanismo de detecção da e-skin está fundamentalmente enraizado nas propriedades viscoelásticas de seu polímero^{constituinte 6,15}. Esse material apresenta tanto deformação elástica quanto fluxo viscoso quando submetido a uma força externa. O componente viscoso introduz uma latência característica na recuperação do material; ou seja, ela não retorna instantaneamente ao seu estado original após a remoção da força, mas requer um período finito para se recuperar. Es...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Placa de Circuito Impresso Flexível	JLCPCB	Qualquer um	Usado para obter dados de pressão
Interruptores analógicos	TI	TMUX1108PWR	Usado para selecionar diferentes canais
Conversor analógico-digital	Dispositivos analógicos	AD7940BRMZ-REEL7	Converter sinais analógicos em sinais digitais
CPLD	Intel	MAX 10M02	Unidade de processamento de dados
Osciloscópio	Tektronix	TBS2000	Este osciloscópio é usado para medir formas de onda de sinais.
Quartus II	Intel	Qualquer um	IDE de programação para CPLD
Material de detecção viscoelástica	Qualquer um	Qualquer um	Esse material é usado para gerar sinais de pressão.
Wi-Fi 6 module	IA-PENSADOR	AD-M62-CBS	Módulo de transmissão de dados