仿生触觉传感器—-通过刚柔混合的结构大幅提升灵敏度

菜心 2年前 (2022-09-07) 8925浏览

【导读】

作为智能机器人不可或缺的组成部分，柔性触觉传感器在赋予机器人类似人的触觉感知以进行抓取、握持和触摸等高灵巧性操作方面发挥着举足轻重的作用。这些类人传感器可以检测各种刺激的强度和模式，包括按压、敲击和滑动。而对于人类手指而言，这种能力主要归功于四个功能性机械感受器，缓慢适应的两种机械感受器SA-I、II用于静态（<5 Hz）力检测，快速适应的两种机械感受器FA-I、II用于动态（5-400 Hz）力检测。

为了实现智能机器人和可穿戴电子设备的机械力感知，已发展了基于压阻式、电容式、摩擦起电式和压电式等机制的触觉传感器。其中，压电柔性触觉传感器具有快速响应动态力检测的优势，因此被广泛用于模拟人体皮肤中的 FA-I、II机械感受器。然而，与使用硅、陶瓷和玻璃作为基板的基于刚性材料的触觉传感器相比，柔性触觉传感器的灵敏度和响应速度通常受到弹性基板的天然粘弹性的限制，因为它会吸收部分机械能。

【成果掠影】

近日，厦门大学秦利锋教授、香港城市大学王钻开教授和厦门大学周伟教授（共同通讯作者）等研究者受到动物和人类手指（骨骼和肌肉镶嵌）结构的启发，报道了一种超高敏感度的压电触觉传感器。使用刚柔混合传力层与软底层相结合，克服了传统压电柔性触觉传感器的动态灵敏度限制。这种刚柔混合触觉传感器(RSHTS)具有346.5pC N-1的超高灵敏度、5-600 Hz 的宽响应带宽和0.009-4.3 N的宽力响应范围。此外，该刚柔混合触觉传感器 (RSHTS)还可以实现对多个力方向的实时检测。文中演示了一个基于刚柔混合触觉传感器(RSHTS)的机器人手被用来检测冲击力和监测倒水的过程，这显示了刚柔混合触觉传感器(RSHTS)在帮助机器人实现高灵巧性操作方面的巨大潜力。研究成果以题为“Finger-inspired rigid-soft hybrid tactile sensor with superior sensitivity at high frequency”发布在国际著名期刊Nature Communication上。

【核心创新点】

(1). 借鉴手指的结构，优化了传感器结构设计，提升了其灵敏度

提出刚柔混合结构，不仅显著增强了高频动态力的传递，而且其工作模式（d31模式而非传统的d33模式）有效地提高了传感器的灵敏度，克服了传统压电柔性触觉传感器中弹性结构吸收机械能导致的低灵敏度的问题。

(2). 提出检测力的方向的方案

结合顶层的圆顶和感觉层的图案电极的设计，通过分析四个压电电容的输出，实现了传感器受力方向的检测。

【图文概览】

  1. 仿生刚柔混合触觉传感器的概念、结构和性能

图1. RSHTS 的概念、结构和传感性能：a 人体和手指解剖结构的图解；b 手指启发的刚柔混合压电触觉传感器阵列；c 我们的触觉传感器与现有的压电触觉传感器之间的压电薄膜变形和工作模式的差异。蓝色表示压电薄膜的应力分布；d 3×3制造的RSHTS阵列的照片；e 我们的触觉传感器与现有压电式触觉传感器的灵敏度比较；© 2022 The Authors

  1. RSHTS的工作机制

图2. RSHTS的结构设计和应力分析的数值模拟：a 带有刚性（i，控制I）和软基板（ii，控制II）的控制传感器以及我们的RSHTS（iii）的仿真模型；b 带有刚性和软基板的控制传感器和我们的RSHTS的数值模拟结果；c 在5-600赫兹的频率范围内，RSHTS（iii）和无支柱（ii）的控制传感器之间的灵敏度比较。© 2022 The Authors

  1. 超灵敏RSHTS的性能

图3. RSHTS的受力方向检测、循环稳定性和重复性表征：a 一个传感单元的力方向检测；b 在4.3N和400Hz的正弦力下，信号稳定性2.16×106个周期；c 在1个周期、1.08×106个周期和2.16×106个周期后，重复测量RSHTS的输出电荷作为400赫兹下应用法向力的函数；© 2022 The Authors

  1. 基于RSHTS的机械手及其在触觉感知中的应用

图4. RSHTS和基于RSHTS的机器人手的高频刺激检测：a 音叉产生的高频波形由连接到人类手指上的RSHTS记录；b 四个压电电容的实时输出电荷，从中可以确定敲击方向；c 一个基于RSHTS的机器人手抓住并握住一个塑料瓶，向其中加入水滴以模拟机器人倒水的场景；© 2022 The Authors

【成果启示】

受到动物和人类手指（骨骼和肌肉镶嵌）结构的启发，本文报道了一种超高敏感度的压电触觉传感器。提出刚柔混合结构，不仅显著增强了高频动态力的传递，而且其工作模式（d31模式而非传统的d33模式）有效地提高了传感器的灵敏度，克服了传统压电柔性触觉传感器中弹性结构吸收机械能导致的低灵敏度的问题。同时，通过分析四个压电电容的输出，实现了传感器受力方向的检测。本文所提出的传感器有望应用于可穿戴电子设备，实现对外部刺激的长期监测，以建立类似人类的机器人触觉系统。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32827-7

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