中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
仿生觸須傳感器因其能夠感知微小壓力變化的能力，在避障、人機接口和軟體機器人等領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用。但傳統觸須傳感器大多基于剛性基板，難以檢測來(lái)自外部環(huán)境的多方向力，從而限制了其在復雜環(huán)境中的應用。因此，開(kāi)發(fā)一種具有高靈敏度、低檢測限且能夠識別外力方向的柔性仿生觸須傳感器顯得尤為重要。
近日中北大學(xué)電子測試與測量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室與中北大學(xué)軟件學(xué)院共同研發(fā)了一種新型的高靈敏度柔性仿生觸須傳感器（FBTS），該傳感器在多維力傳感、自主避障以及觸覺(jué)感知等方面性能表現突出。目前該研究成果已發(fā)表在《微系統與納米工程》雜志上。
FBTS傳感器設計與原理：
FBTS傳感器由柔性腔體基板、柔性PI交叉梁膜、MWCNT敏感層和尼龍纖毛組成。MWCNTs通過(guò)高剪切分散工藝制備，有效提高了傳感層中力-電耦合的效率，使得傳感器能夠在柔性貼合條件下檢測低應變。此外，傳感器還采用了獨特的須狀信號放大器和交叉梁結構，進(jìn)一步提升了其靈敏度和檢測精度。
基于橫梁結構的柔性觸須傳感器的工作原理
FBTS傳感器的工作原理受到兔子觸須的啟發(fā)。當外部力作用于觸須時(shí)，觸須發(fā)生形變并刺激神經(jīng)細胞突觸產(chǎn)生響應，將機械信號轉化為電信號。類(lèi)似地，FBTS傳感器通過(guò)尼龍纖毛捕捉和放大外部刺激，然后將機械刺激傳遞到交叉梁底部，導致交叉梁上的傳感材料發(fā)生形變并產(chǎn)生電信號。傳感器內部的導電網(wǎng)絡(luò )在形變過(guò)程中發(fā)生變化，從而改變電阻值，實(shí)現對外部力的檢測。
FBTS傳感器材料設計與方法：
在設計FBTS傳感器的時(shí)候，研究團隊首先選用了多壁碳納米管（MWCNTs）作為敏感材料，通過(guò)高剪切分散工藝制備了均勻的MWCNT分散液。接著(zhù)，使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為柔性基板材料，通過(guò)混合、脫泡、澆注和固化等步驟制備了具有低楊氏模量和優(yōu)異柔韌性的柔性基板。
隨后，研究團隊在聚酰亞胺（PI）基板上濺射銅膜并光刻出導電圖案，再?lài)娡縈WCNT分散液并干燥固化，形成了PI/MWCNT（PMC）膜。最后一步，將尼龍纖毛作為信號放大器插入PI中心，并使用UV固化膠粘合，完成了傳感器的封裝。
FBTS柔性仿生觸須傳感器性能表征與測量：
研究團隊通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）對傳感器的形貌結構進(jìn)行了詳細觀(guān)察。SEM圖像顯示，MWCNT敏感層均勻分布在PI基板上，尼龍纖毛與交叉梁膜緊密結合，形成了完整的傳感結構。此外，X射線(xiàn)衍射（XRD）和X射線(xiàn)能譜（EDS）分析進(jìn)一步證實(shí)了MWCNTs的高結晶度和高純度，為傳感器的優(yōu)異性能提供了材料基礎。
FBTS 多維力的模擬結果
為了驗證傳感器電流變化數據，研究團隊使用源表對傳感器的電流變化進(jìn)行了測量。在定量測量過(guò)程中，FBTS傳感器被固定在線(xiàn)性電機上，通過(guò)數字測力計施加不同方向的外力。隨著(zhù)外力的變化，傳感器的電阻也隨之改變，從而實(shí)現了對外力的精確感知。
實(shí)驗結果表明，傳感器在0-25mN范圍內表現出超高的靈敏度（37.6N^-1），在60-160mN范圍內仍能保持較高的靈敏度（-0.47N^-1），且具有良好的線(xiàn)性度（R^2=0.98）。此外，傳感器的檢測限低至2.4mN，能夠檢測到極其微弱的外力變化。
FBTS的傳感性能
此外研究團隊還進(jìn)行了循環(huán)穩定性測試。在超過(guò)5000次循環(huán)測試后，傳感器的信號仍然保持穩定，表明其具有良好的耐久性和可靠性。此外，研究團隊還通過(guò)有限元分析模擬了傳感器的傳感機制，深入理解了其在外力作用下的變形過(guò)程和應力分布。
力傳感器的多通道輸出對不同機械方向的力的感應性能
除了基本的力學(xué)性能測試外，研究團隊還探索了FBTS傳感器在表面紋理識別和氣流檢測等應用中的表現。實(shí)驗結果表明，傳感器能夠準確識別不同表面紋理的物體，并實(shí)時(shí)監測氣流速度。
FBTS傳感器在實(shí)際應用場(chǎng)景下的初步探索：
在實(shí)際場(chǎng)景下，研究人員對FBTS傳感器進(jìn)行了表面紋理識別、氣流檢測、自主避障等方向進(jìn)行測試。在表面紋理識別方面，工作人員通過(guò)3D打印技術(shù)制作了具有不同表面紋理的平板，并利用FBTS傳感器對它們進(jìn)行了識別測試。實(shí)際數據顯示，傳感器能夠準確區分平滑表面、三角形凹槽表面和矩形凹槽表面。
傳感器對紋理粗糙度和氣體流量的感應性能
在氣流檢測方面，研究團隊測試了傳感器對不同風(fēng)速的響應，發(fā)現其能夠實(shí)時(shí)檢測并準確識別風(fēng)速變化。這一特性使得FBTS傳感器在環(huán)境監測、氣體流動(dòng)控制和空氣質(zhì)量監測等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。
基于FBTS和傳感數據可視化的避障仿生鼠
值得一提的是，FBTS傳感器在自主避障應用中的表現出色。研究團隊將傳感器安裝在仿生鼠的頭部，通過(guò)采集和分析傳感器信號，成功實(shí)現了仿生鼠的自主避障功能。在迷宮測試中，仿生鼠能夠準確識別障礙物并自主規劃路徑，順利穿越迷宮。
此外，FBTS傳感器的高靈敏度和低檢測限使其能夠感知到極其微弱的外力變化，這對于需要高精度觸覺(jué)反饋的應用場(chǎng)景尤為重要。例如，在人機交互、醫療康復和虛擬現實(shí)等領(lǐng)域，FBTS傳感器能夠提供更加真實(shí)和細膩的觸覺(jué)體驗，提升用戶(hù)體驗和互動(dòng)性。
