仿生觸覺傳感器—-通過剛柔混合的結構大幅提升靈敏度

菜心 10個月前 (09-07) 5576瀏覽

【導讀】

作為智能機器人不可或缺的組成部分，柔性觸覺傳感器在賦予機器人類似人的觸覺感知以進行抓取、握持和觸摸等高靈巧性操作方面發揮著舉足輕重的作用。這些類人傳感器可以檢測各種刺激的強度和模式，包括按壓、敲擊和滑動。而對于人類手指而言，這種能力主要歸功于四個功能性機械感受器，緩慢適應的兩種機械感受器SA-I、II用于靜態（<5?Hz）力檢測，快速適應的兩種機械感受器FA-I、II用于動態（5-400?Hz）力檢測。

為了實現智能機器人和可穿戴電子設備的機械力感知，已發展了基于壓阻式、電容式、摩擦起電式和壓電式等機制的觸覺傳感器。其中，壓電柔性觸覺傳感器具有快速響應動態力檢測的優勢，因此被廣泛用于模擬人體皮膚中的 FA-I、II機械感受器。然而，與使用硅、陶瓷和玻璃作為基板的基于剛性材料的觸覺傳感器相比，柔性觸覺傳感器的靈敏度和響應速度通常受到彈性基板的天然粘彈性的限制，因為它會吸收部分機械能。

【成果掠影】

近日，廈門大學秦利鋒教授、香港城市大學王鉆開教授和廈門大學周偉教授（共同通訊作者）等研究者受到動物和人類手指（骨骼和肌肉鑲嵌）結構的啟發，報道了一種超高敏感度的壓電觸覺傳感器。使用剛柔混合傳力層與軟底層相結合，克服了傳統壓電柔性觸覺傳感器的動態靈敏度限制。這種剛柔混合觸覺傳感器(RSHTS)具有346.5pC N-1的超高靈敏度、5-600 Hz 的寬響應帶寬和0.009-4.3 N的寬力響應范圍。此外，該剛柔混合觸覺傳感器 (RSHTS)還可以實現對多個力方向的實時檢測。文中演示了一個基于剛柔混合觸覺傳感器(RSHTS)的機器人手被用來檢測沖擊力和監測倒水的過程，這顯示了剛柔混合觸覺傳感器(RSHTS)在幫助機器人實現高靈巧性操作方面的巨大潛力。研究成果以題為“Finger-inspired rigid-soft hybrid tactile sensor with superior sensitivity at high frequency”發布在國際著名期刊Nature Communication上。

【核心創新點】

(1). 借鑒手指的結構，優化了傳感器結構設計，提升了其靈敏度

提出剛柔混合結構，不僅顯著增強了高頻動態力的傳遞，而且其工作模式（d31模式而非傳統的d33模式）有效地提高了傳感器的靈敏度，克服了傳統壓電柔性觸覺傳感器中彈性結構吸收機械能導致的低靈敏度的問題。

(2). 提出檢測力的方向的方案

結合頂層的圓頂和感覺層的圖案電極的設計，通過分析四個壓電電容的輸出，實現了傳感器受力方向的檢測。

【圖文概覽】

  1. 仿生剛柔混合觸覺傳感器的概念、結構和性能

圖1. RSHTS 的概念、結構和傳感性能：a 人體和手指解剖結構的圖解；b 手指啟發的剛柔混合壓電觸覺傳感器陣列；c 我們的觸覺傳感器與現有的壓電觸覺傳感器之間的壓電薄膜變形和工作模式的差異。藍色表示壓電薄膜的應力分布；d 3×3制造的RSHTS陣列的照片；e 我們的觸覺傳感器與現有壓電式觸覺傳感器的靈敏度比較；? 2022 The Authors

  1. RSHTS的工作機制

圖2. RSHTS的結構設計和應力分析的數值模擬：a 帶有剛性（i，控制I）和軟基板（ii，控制II）的控制傳感器以及我們的RSHTS（iii）的仿真模型；b 帶有剛性和軟基板的控制傳感器和我們的RSHTS的數值模擬結果；c 在5-600赫茲的頻率范圍內，RSHTS（iii）和無支柱（ii）的控制傳感器之間的靈敏度比較。? 2022 The Authors

  1. 超靈敏RSHTS的性能

圖3. RSHTS的受力方向檢測、循環穩定性和重復性表征：a 一個傳感單元的力方向檢測；b 在4.3N和400Hz的正弦力下，信號穩定性2.16×106個周期；c 在1個周期、1.08×106個周期和2.16×106個周期后，重復測量RSHTS的輸出電荷作為400赫茲下應用法向力的函數；? 2022 The Authors

  1. 基于RSHTS的機械手及其在觸覺感知中的應用

圖4. RSHTS和基于RSHTS的機器人手的高頻刺激檢測：a 音叉產生的高頻波形由連接到人類手指上的RSHTS記錄；b 四個壓電電容的實時輸出電荷，從中可以確定敲擊方向；c 一個基于RSHTS的機器人手抓住并握住一個塑料瓶，向其中加入水滴以模擬機器人倒水的場景；? 2022 The Authors

【成果啟示】

受到動物和人類手指（骨骼和肌肉鑲嵌）結構的啟發，本文報道了一種超高敏感度的壓電觸覺傳感器。提出剛柔混合結構，不僅顯著增強了高頻動態力的傳遞，而且其工作模式（d31模式而非傳統的d33模式）有效地提高了傳感器的靈敏度，克服了傳統壓電柔性觸覺傳感器中彈性結構吸收機械能導致的低靈敏度的問題。同時，通過分析四個壓電電容的輸出，實現了傳感器受力方向的檢測。本文所提出的傳感器有望應用于可穿戴電子設備，實現對外部刺激的長期監測，以建立類似人類的機器人觸覺系統。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32827-7

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