四川大學王竹卿/吳曉東Research: 基于微裂紋-剛毛協同結構設計的新型仿生觸覺傳感器

研究背景：

觸覺是生物從外界獲取信息的重要途徑，也是智能可穿戴設備、醫療軟體機器人、仿生假肢等新興設備/系統不可或缺的功能。觸覺傳感器的傳感能力可與天然人體皮膚或動物感覺器官相媲美，甚至更勝一籌，近年來引起了學術界和工業界的廣泛關注。近年來觸覺傳感在結構設計和傳感機制等方面取得了很大的進展。然而，絕大多數已開發的觸覺傳感器只能檢測法向力，而通常無法分辨剪切力，甚至無法區分力的方向。由于自然觸覺不僅涉及力的強度檢測，還包括對其他復雜機械參數的感知，如力方向、接觸位置、表面紋理等。因此觸覺傳感器要完全實現模仿觸覺功能，尚有一系列難題需要克服。

文章簡介：

近日，四川大學機械工程學院的王竹卿教授和吳曉東研究員團隊，受蜘蛛的狹縫器官和剛毛的啟發，通過合理的材料選擇、結構設計和系統集成，提出并展示了一種新型的高靈敏度的觸覺傳感器。所制備的觸覺傳感器具有高靈敏度（25.76?N^-1）、低檢測限（5.4?mN）、理想的穩定性（超過2500個循環）以及能解析機械強度和方向特征的良好能力。該研究將制備的觸覺傳感器成功應用于表面紋理識別和仿生路徑探索，并在可穿戴設備、軟體醫療機器人和具有高操作靈活性的仿生假肢方面表現出良好的應用前景。研究相關成果以?“Bioinspired Tactile Sensation based on Synergistic Microcrack-Bristle Structure Design towards High Mechanical Sensitivity and Direction-Resolving Capability” 為題，發表在國際著名期刊《Research》上（《Science》合作期刊，影響因子：11.036，中科院1區Top期刊），論文第一作者為四川大學機械工程學院2022級研究生張義群同學。

?研究內容：

圖1. 仿生觸覺傳感器的設計理念和工作原理。觸覺傳感器由具有信號放大作用的剛毛結構和具有高靈敏特性的微裂紋結構組成，剛毛結構周圍環繞著分布在十字形結構上的四個高靈敏度微裂紋通道。傳感器的測量電極位于每個通道的末端。四個通道共享位于傳感器中間的參考電極。當剛毛頂端受到不同方向的機械刺激時，四個通道上的微裂紋結構會不同程度的靠近或分離，從而引起不同的電阻變化。因此，基于協同微裂紋-刷毛結構設計和十字形器件構型，可以通過測量電極和參比電極之間每個通道電阻的變化來實現機械力的方向和強度的檢測。

圖2. 使用所提出的觸覺傳感器解析施加力的方向。通過合理的傳感材料選擇和傳感器結構設計，所制備的觸覺傳感器具有高靈敏度和對機械刺激的強度和方向特征的良好穩定的分辨能力。

圖3. 基于協同微裂紋-剛毛結構的觸覺傳感器的紋理識別應用。所提出的基于協同微裂紋-剛毛結構的觸覺傳感器具有高機械靈敏度。通過分析剛毛從物體表面掃描后所得到的觸覺傳感器的響應信號 (如頻率、強度等)，可以對物體的表面紋理進行評價，從而實現對不同紋理的檢測和區分。此外，結合機器學習來解析和分類從觸覺傳感器獲得的信號，實現了較高的紋理識別準確率（96.2%），驗證了觸覺傳感器和機器學習框架的良好可靠性，表現出在構建智能機器人電子皮膚方面的廣闊應用前景。

結論和展望

綜上所述，本工作提出了一種新型的仿生觸覺傳感器，通過協同微裂紋-剛毛結構設計和十字形構型工程來識別和檢測機械刺激的強度和方向。該觸覺傳感器具有高靈敏度、低檢測限、良好的穩定性以及良好的機械強度和方向特征的分辨能力。該觸覺傳感器成功地應用在了表面紋理識別和仿生路徑探索等場景。本工作所提出的觸覺策略和技術為柔性機器人和仿生義肢的構建提供了一種新的方法，在構建具有高操作靈活性的各種機器人方面具有巨大的潛在應用價值。

文獻鏈接：

https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0172