據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，受手指結(jié)構(gòu)（嵌入肌肉中的剛性骨架）的啟發(fā)，廈門大學(xué)周偉教授、秦利鋒副教授和香港城市大學(xué)王鉆開(kāi)教授等人開(kāi)發(fā)了一種剛-柔混合觸覺(jué)傳感器（rigid-soft hybrid tactile sensor，RSHTS），其采用剛-柔混合力傳輸層與柔性基底相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，不僅大大增強(qiáng)了力傳輸性能，而且觸發(fā)了壓電感知層的d31工作模式，而不是傳統(tǒng)的d33模式，使其具有超高的靈敏度。此外，該傳感器能夠以高可靠性檢測(cè)多個(gè)力的方向，在機(jī)器人動(dòng)態(tài)觸覺(jué)傳感方面顯示出巨大潛力。
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RSHTS的概念、結(jié)構(gòu)和傳感性能
隨著機(jī)器人科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的智能機(jī)器人被用來(lái)代替人類在極端或危險(xiǎn)環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。例如，在新冠肺炎（COVID-19）大流行期間，智能機(jī)器人被廣泛用于為被隔離人員運(yùn)輸生活用品，這極大地避免了病毒的交叉感染和傳播。作為智能機(jī)器人不可或缺的組成部分，柔性觸覺(jué)傳感器在賦予機(jī)器人以類似人的觸覺(jué)感知進(jìn)行抓取、握持和觸摸等高靈巧操作方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。
這些類人傳感器可以檢測(cè)各種刺激的強(qiáng)度和模式，包括按壓、輕擊和滑動(dòng)。而對(duì)于人類手指來(lái)說(shuō)，這種能力主要?dú)w功于四種功能性機(jī)械感受器（慢適應(yīng)感受器I型、II型，即SA-I、II和快適應(yīng)感受器I型、II型，即FA-I、II），它們分布在皮膚中，用于靜態(tài)力（<~5Hz）和動(dòng)態(tài)力（5-400Hz）檢測(cè)。
為了實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人和可穿戴電子設(shè)備的機(jī)械力傳感感知，通常利用基于壓阻、電容、摩擦電和壓電機(jī)制的觸覺(jué)傳感器將觸覺(jué)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。其中，壓電柔性觸覺(jué)傳感器在動(dòng)態(tài)力檢測(cè)方面具有快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于模擬人體皮膚中的FA-I、II，其形式通常采用由柔性基底和感知層組成的分層結(jié)構(gòu)，其中柔性基底用于直接接觸刺激并將力從外部傳遞到內(nèi)部感知層，或用于順應(yīng)機(jī)器人身體的曲面以與環(huán)境交互。
然而，與使用硅、陶瓷和玻璃作為基底的基于剛性材料的觸覺(jué)傳感器相比，柔性觸覺(jué)傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度通常受到彈性基底的天然粘彈性的限制，因?yàn)樗鼤?huì)吸收部分機(jī)械能。盡管人們一直致力于設(shè)計(jì)具有微結(jié)構(gòu)的柔性基底，例如改善感知層的電性能，或者將感知層從2D改變?yōu)?D以提高靈敏度，但是壓電柔性觸覺(jué)傳感器的靈敏度仍然有限。此外，現(xiàn)有的壓電觸覺(jué)傳感器在d33模式下工作，這容易受到低于d33系數(shù)的理論靈敏度的影響。
在本項(xiàng)研究中，受動(dòng)物和人類手指結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究人員設(shè)計(jì)了一種具有三層結(jié)構(gòu)（一層頂部圓頂層、一層感知層和一層底層）的超靈敏壓電觸覺(jué)傳感器，該傳感器采用剛-柔混合力傳輸層與柔性基底相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，這種混合結(jié)構(gòu)不僅顯著增強(qiáng)了高頻動(dòng)態(tài)力的傳輸，而且在新的d31工作模式（而不是傳統(tǒng)的d33模式）下實(shí)現(xiàn)傳感，從而獲得超高的靈敏度。
因此，這種RSHTS具有346.5 pC?/N的超高靈敏度，約為d33模式下的理論極限靈敏度（21 ?pC/N）的17倍。此外，RSHTS還具有5-600?Hz寬帶寬和0.009-4.3 N的線性力檢測(cè)范圍。研究人員還證明了基于RSHTS的機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)力方向的實(shí)時(shí)檢測(cè)。
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RSHTS應(yīng)力分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和數(shù)值模擬
歸功于頂層的圓頂設(shè)計(jì)和感知層中圖案化的電極，RSHTS可以通過(guò)分析四個(gè)壓電電容器的輸出來(lái)檢測(cè)多個(gè)力的方向。具有一個(gè)感知單元的RSHTS陣列可以區(qū)分±X、±Y和±Z軸上施加的力的方向。此外，RSHTS可以清楚地識(shí)別高頻振動(dòng)，顯示了動(dòng)態(tài)力檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)?；赗SHTS的機(jī)械手用于檢測(cè)沖擊力并模擬倒水過(guò)程，這表明RSHTS在幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高靈巧操作方面的巨大潛力。
研究人員所提出的傳感器有望應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部刺激的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，從而建立機(jī)器人的類人觸覺(jué)系統(tǒng)，恢復(fù)殘疾人或老年人的觸覺(jué)感知能力等。
RSHTS的高頻刺激檢測(cè)和基于RSHTS的機(jī)械手用于檢測(cè)沖擊力，并模擬機(jī)器人倒水。
審核編輯：劉清