中北大學(xué)：觸覺技術(shù)“新突破” 機(jī)器人“手感”更敏銳

劉娜

觸摸是人類在進(jìn)行協(xié)調(diào)交互時(shí)的主要方式之一，通過觸摸可以幫助人類評估物體的屬性。與人類一樣，機(jī)器人的觸摸傳感能夠幫助機(jī)器人理解現(xiàn)實(shí)世界中物體的交互行為，這些行為取決于其重量和剛度，取決于觸摸時(shí)表面的感覺、接觸時(shí)的變形情況以及被推動(dòng)時(shí)的移動(dòng)方式。只有給機(jī)器人也配備先進(jìn)的觸摸傳感器才能使其意識(shí)到周圍的環(huán)境，遠(yuǎn)離潛在的破壞性影響，并為后續(xù)的手部操作等任務(wù)提供信息。然而，目前大多數(shù)機(jī)器人交互式技術(shù)系統(tǒng)由于缺乏對觸覺傳感技術(shù)的應(yīng)用，其動(dòng)作不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定，交互過程“笨拙”，極大地限制了他們的交互和認(rèn)知能力。

隨著機(jī)器人科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的智能機(jī)器人被用來代替人類在極端或危險(xiǎn)環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。作為智能機(jī)器人，在賦予機(jī)器人以類似人的觸覺感知進(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。前不久，山西省科協(xié)“科創(chuàng)中國”技術(shù)成果路演專場上，中北大學(xué)韓晶教授向嘉賓介紹了高靈敏高分辨率的壓電壓阻復(fù)合增強(qiáng)式觸覺傳感技術(shù)，突破了中國觸覺傳感器技術(shù)瓶頸。

據(jù)了解，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)制的觸覺傳感器將觸覺信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。其中，壓電柔性觸覺傳感器在動(dòng)態(tài)力檢測方面具有快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于模擬人體皮膚。

“大家看，這款機(jī)器人手指上就運(yùn)用了我們最新的研究成果壓電、壓阻觸覺傳感技術(shù)?！睓C(jī)器手在技術(shù)人員的操控下，柔軟性和靈動(dòng)性遠(yuǎn)超普通智能機(jī)器手。韓教授介紹到，壓電-壓阻雙模態(tài)傳感特性的復(fù)合水凝膠以交聯(lián)的生物質(zhì)殼聚糖季銨鹽為骨架，以聚（3，4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）為導(dǎo)電填料，聚（偏氟乙烯-co-三氟乙烯）（PVDF-TrFE）為壓電填料。制備的水凝膠基應(yīng)變傳感器靈敏度高（GF：19.24），線性度較好（0.94），響應(yīng)快速（響應(yīng)時(shí)間：63.2ms），頻響范圍較寬（響應(yīng)頻率：5-25Hz），同時(shí)具有良好的可拉伸性能（斷裂伸長率：293%）和循環(huán)穩(wěn)定性。

利用壓電-壓阻一體化構(gòu)建復(fù)合水凝膠的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)、靜態(tài)應(yīng)變響應(yīng)，獲得靈敏且可靠的壓電信號(hào)以及壓阻信號(hào)輸出，有望解決多層復(fù)合結(jié)構(gòu)存在的制備工藝復(fù)雜、層間匹配性不佳等問題。采用復(fù)合水凝膠制備的可穿戴應(yīng)變傳感器展示了在人體運(yùn)動(dòng)以及細(xì)微活動(dòng)監(jiān)測方面的應(yīng)用潛力。

有趣的是，復(fù)合水凝膠附著在指尖和指背形成傳感單元，能精準(zhǔn)識(shí)別物體的輪廓。復(fù)合水凝膠基陣列傳感器也能準(zhǔn)確識(shí)別不同的按壓位置，未來可進(jìn)一步應(yīng)用于恢復(fù)殘疾人或老年人的觸覺感知能力等。

該項(xiàng)技術(shù)的突破和研究，主要意義在于提供了一種用于可穿戴應(yīng)變傳感器的壓電-壓阻雙模態(tài)復(fù)合水凝膠的構(gòu)建方法。為提高其智能可穿戴應(yīng)變傳感性能提供可能，在機(jī)器人動(dòng)態(tài)觸覺傳感方面顯示出巨大潛力。