中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
柔性應變傳感器對實(shí)現軟體機器人運動(dòng)感知和自主巡航至關(guān)重要。然而，軟體機器人在復雜動(dòng)態(tài)的工作環(huán)境中的連續變形對應變傳感器的按需制造和長(cháng)期穩健性帶來(lái)了挑戰。這需要精確的傳感器建模以及傳感器力-電耦合結構的可控制造。近日，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團隊楊海濤教授在國際知名期刊Nature Communications上發(fā)表題為“Computational design of ultra-robust strain sensors for soft robot perception and autonomy”的研究論文，解決了軟體機器人傳感器的建模和穩定性難題。
軟體機器人具有靈活的身體變形和出色的運動(dòng)敏捷性，為其在非結構化環(huán)境中的動(dòng)態(tài)任務(wù)提供了靈活、安全的交互。為了使軟體機器人能夠智能地和環(huán)境交互，需要在機器人身體結構中集成柔性應變傳感器。它可以實(shí)時(shí)感知各種環(huán)境刺激，實(shí)現機器人本體運動(dòng)和周?chē)h(huán)境的靈敏感知，為機器人自主巡航奠定基礎。然而，機器人的高自由度連續體變形和多模態(tài)運動(dòng)對應變傳感器的設計提出了巨大的挑戰。一方面，為了滿(mǎn)足具有不同運動(dòng)行為或身體尺寸的軟體機器人的差異化感知需求，亟需實(shí)現傳感器性能的按需設計（靈敏度和線(xiàn)性工作窗口）。而這通常需要探索不同的設計原理和多次試錯實(shí)驗，耗時(shí)耗力，效率低下。
另一方面，在當前軟體機器人技術(shù)發(fā)展中，傳感器的穩健性問(wèn)題日益受到重視。當前的柔性應變傳感器的穩定性測試往往局限于單調和重復的條件，無(wú)法復現軟體機器人的真實(shí)復雜的工作環(huán)境。在實(shí)際應用中，軟體機器人需要在多變且嘈雜的環(huán)境中運作，常面臨著(zhù)外力干擾和意外變形。這要求軟體機器人的傳感系統即使在間歇性工作和變頻操作下也能保持穩定。然而，大部分傳感器在動(dòng)態(tài)監測中易受到材料或結構破壞的影響，進(jìn)而導致信號失真和反饋能力下降。因此，開(kāi)發(fā)能在復雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中保持高度魯棒性的傳感器，是推進(jìn)軟體機器人技術(shù)在實(shí)際應用的重要一環(huán)。
在此，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團隊楊海濤教授解決了軟體機器人傳感器的建模和穩定性難題。通過(guò)精準的激光加工技術(shù)和定制化的微裂紋紋理，實(shí)現了傳感器特性的精確控制和建模。借助有限元分析模型，實(shí)現了傳感器在復雜力學(xué)負載下響應曲線(xiàn)的模擬，確保了在極端條件下的長(cháng)期穩定性。特別的，這些傳感器在面對高達50%應變、10萬(wàn)次循環(huán)負載以及0-23 Hz的動(dòng)態(tài)頻率變化時(shí)，展現出了優(yōu)異的魯棒性。利用機器學(xué)習算法，這種傳感系統被成功集成于軟體機器人中，實(shí)現了精確的軌跡追蹤（機器人軌跡預測誤差<4%）和環(huán)境感知（地形高度感知誤差<10%），顯著(zhù)提升了機器人的自主巡航能力。
此項成果標志著(zhù)軟體機器人技術(shù)在本體感知和自主決策領(lǐng)域邁出了重要一步。這項技術(shù)不僅為軟體機器人在未知環(huán)境中的應用開(kāi)辟了新路徑，也為實(shí)現更高層次的機器人協(xié)同工作和群體智能提供了強有力的支持，展望未來(lái)，通過(guò)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)集成多傳感器的機器學(xué)習算法，軟體機器人的能力和應用領(lǐng)域將得到更廣泛的拓展。
本研究得到中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費等項目支持。
