通過將基于微/納結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器集成到機器人中，可以實現(xiàn)靈敏的觸覺感知。然而，例如金字塔和半球等傳統(tǒng)對稱結(jié)構(gòu)，只能感知力的大小，卻無法感知力的方向。觸覺不僅由壓力引起，還由剪切力和摩擦力所引起，其方向和大小都很重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機器人學(xué)國家重點實驗室與河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院組成的科研團隊在Advanced Science期刊上發(fā)表了以“Skin-Inspired Capacitive Flexible Tactile Sensor with an Asymmetric Structure for Detecting Directional Shear Forces”為主題的論文。該論文的第一作者兼通訊作者為于海波研究員，另一位通訊作者為劉連慶研究員。

受皮膚結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，這項研究設(shè)計了一種基于非對稱微毛發(fā)（microhair）結(jié)構(gòu)陣列的電容式柔性觸覺傳感器，用于感知剪切力及其方向。通過雙光子聚合（TPP）和復(fù)制得到了非對稱微毛發(fā)結(jié)構(gòu)。由于微毛發(fā)結(jié)構(gòu)的非對稱特性，不同的剪切力方向會導(dǎo)致不同的變形。因此，該研究所設(shè)計的器件既可以確定靜態(tài)剪切力方向，也可以確定動態(tài)剪切力方向。

研究人員從皮膚結(jié)構(gòu)獲取靈感，設(shè)計了傾斜微毛發(fā)陣列（TMHA）結(jié)構(gòu)，作為電容式觸覺傳感器的介電層。人體皮膚是一個綜合系統(tǒng)，包括表皮層、真皮層和皮下組織，以及眾多的機械感受器，如圖1a所示。傾斜毛發(fā)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出仿生特性，可用于制造基于TMHA的觸覺傳感器，如圖1b所示。圖1c至圖1e展現(xiàn)了基于TMHA的介電層的掃描電鏡（SEM）圖像。

圖1 基于TMHA的觸覺傳感器的仿生機理、制造工藝及表征

隨后，研究人員模擬了TMHA的變形，以便研究介電層間隙在壓力與雙向剪切力載荷作用下的響應(yīng)。相關(guān)模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 基于TMHA的觸覺傳感器的COMSOL模擬結(jié)果

基于TMHA的電容式傳感器在低壓狀態(tài)下具有寬壓力響應(yīng)范圍和高靈敏度。觸覺傳感器的壓力傳感機理如圖3c所示。

圖3 基于TMHA的觸覺傳感器的壓力傳感特性

對方向性剪切力作用下的介電層間隙的模擬表明，基于TMHA的電容式傳感器的信號趨勢可以區(qū)分剪切力。觸覺傳感器的剪切力傳感機理如圖4a所示。

圖4 基于TMHA的觸覺傳感器的剪切力傳感特性

接著，基于TMHA的觸覺傳感器還顯示出了集成于靈巧手中的潛力，憑借其靈活性、敏感性和適應(yīng)性等特點可實現(xiàn)人機交互。集成基于TMHA的觸覺傳感器的靈巧手的應(yīng)用案例如圖5所示。

圖5 集成基于TMHA的觸覺傳感器的靈巧手應(yīng)用案例

最后，為了提高機器人在精細(xì)操作任務(wù)中的感知度和精度，在機器人的拇指上安裝了基于TMHA的觸覺傳感器作為觸覺電子皮膚（e-skin）。相關(guān)實驗情況和結(jié)果如圖6所示。

圖6 集成基于TMHA的觸覺傳感器的機械手在抓取實驗中的應(yīng)用

綜上所述，這項研究提出了利用基于TMHA的觸覺傳感器來感知壓力和剪切力。TMHA的非對稱結(jié)構(gòu)在不同方向剪切力的作用下可產(chǎn)生不同的彎矩?；赥MHA的觸覺傳感器在壓力和剪切力傳感方面表現(xiàn)出較高的靈敏度和穩(wěn)定性。此外，該研究還嘗試在機器人和靈巧手上集成基于TMHA的觸覺傳感器，以增強其交互性能和安全性。機器人抓取實驗證明了該傳感器在機器人觸覺反饋系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。此類觸覺傳感器為未來剪切力傳感器的設(shè)計提供了新發(fā)展方向，同時還可應(yīng)用于開發(fā)人機界面。

審核編輯：黃飛

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