一種基于摩擦電傳感器并集成量子棒增強功能的新型觸覺感知系統(tǒng)

目前，在類皮膚觸覺感知系統(tǒng)研究領(lǐng)域，通過跨學科合作有效提升了系統(tǒng)的耐用性、靈敏度和生物相容性，這些進展為健康監(jiān)測、機器人、人機交互等應用領(lǐng)域開辟了廣闊的發(fā)展前景。然而，當前大多數(shù)已報道的觸覺感知系統(tǒng)，僅在物理接觸條件下才能產(chǎn)生信號，因此在其實際應用過程中，基于視覺圖像、超聲換能器或電磁技術(shù)的外部定位輔助仍然不可或缺。

有趣的是，自然界中的一種夜行性動物——鴨嘴獸，早在2500萬年前就已經(jīng)解決了這一問題。當在水中捕獵時，鴨嘴獸不依賴于眼睛、鼻子或耳朵，而是利用其“鴨嘴探測器”作為第六感，來感知獵物發(fā)出的細微機械運動和電場。研究人員從鴨嘴獸的第六感中汲取靈感，通過將位置檢測與更多的感知功能融合在一套觸覺感知系統(tǒng)中，將有望開發(fā)出能更精準模仿甚至超越人類皮膚感知能力的技術(shù)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士團隊以及德國慕尼黑工業(yè)大學Peter Müller-Buschbaum教授團隊等研究人員，在鴨嘴獸第六感的啟發(fā)下，成功開發(fā)出一種基于摩擦電傳感器并集成量子棒（QRs）增強功能的新型觸覺感知系統(tǒng)。該系統(tǒng)可作為單電極模式摩擦納米發(fā)電機（TENG），用于位置檢測與垂直力感測，具有高靈敏度和快速響應特性。此外，通過在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜中集成CdSe/CdS QRs，該系統(tǒng)可以通過改變發(fā)光層來感知不同的橫向拉伸水平。在機器學習技術(shù)的支持下，該系統(tǒng)能夠在微控制器單元平臺上對18種不同物體實現(xiàn)高達98.5%的識別準確率，這為智能機器人的智能分揀應用開辟了一條便捷的路徑。相關(guān)研究成果以“A multi-dimensional tactile perception system based on triboelectric sensors: towards intelligent sorting without seeing”為題發(fā)表在Nano Energy期刊上。

圖1 具有量子棒（QRs）增強功能的摩擦電傳感器

在這項研究工作中，研究人員開發(fā)了一種基于單電極模式TENG的摩擦電傳感器，其特別之處在于增加了具有QRs功能的發(fā)光層。這種設(shè)計通過基于PDMS的TENG產(chǎn)生的電輸出，實現(xiàn)了非接觸式定位檢測和自供能垂直力感測。通過添加功能性CdSe/CdS QRs，因其在紫外光和可見光照射下可被激發(fā)，能實現(xiàn)隨條件變化的發(fā)光效果，可用于橫向拉伸感測。通過在PDMS復合膜的表面采用波浪形結(jié)構(gòu)，將力感測分辨率提高了28.0%。

圖2 基于TENG的垂直力傳感器的表征

圖3 基于QRs的橫向拉伸傳感器的表征

此外，研究人員展示了摩擦電傳感器的魯棒性和獨立感測能力。通過集成軟夾持器和計算機控制的機械臂，構(gòu)建了一種基于8個摩擦電傳感器的觸覺感知系統(tǒng)，專門用于智能分揀。該觸覺感知系統(tǒng)能夠依靠力信號成功抓取并識別18種不同的物體，準確率達到96.3%，并且通過光信號的輔助，準確率可進一步提升至98.5%。進一步地，研究人員基于該觸覺感知系統(tǒng)設(shè)計了一個“無需視覺”的智能分揀系統(tǒng)，無需任何外部定位裝置即可實現(xiàn)位置檢測。此外，得益于紫外光的潛在殺菌功能，該系統(tǒng)可滿足智能家居和智能工廠應用中對智能化和節(jié)能分揀的需求。

圖4 通過觸覺感知系統(tǒng)實現(xiàn)智能抓取

圖5 “無需視覺”實時智能分揀

綜上所述，這項研究工作利用機器學習技術(shù)，成功開發(fā)了一種基于摩擦電傳感器的多維觸覺感知系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了位置檢測和智能抓取功能，可實現(xiàn)“無需視覺”智能分揀，用于物品檢測、識別和搬運等任務。該多維觸覺感知系統(tǒng)未來有望在智能家居和智能工廠等領(lǐng)域發(fā)揮巨大應用潛力。

審核編輯：劉清