中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
觸覺(jué)傳感器是智能機器人實(shí)現類(lèi)人觸覺(jué)感知功能的核心部件之一。隨著(zhù)智能機器人的快速發(fā)展，對觸覺(jué)傳感器的性能需要也日益增高，不僅需要觸覺(jué)傳感器具有柔性，能夠檢測靜態(tài)力等，而且更重要的是需要具備檢測動(dòng)態(tài)力的性能，以實(shí)現智能機器人類(lèi)人的高靈巧操作。相比于壓阻式、電容式等工作模式的柔性觸覺(jué)傳感器，由于壓電式柔性觸覺(jué)傳感器在機器人動(dòng)態(tài)力檢測應用中優(yōu)勢明顯，成為當前的研究熱點(diǎn)。但是，傳統壓電式柔性觸覺(jué)傳感器往往存在無(wú)法突破自身靈敏度理論極限值的問(wèn)題。
近日，廈門(mén)大學(xué)航空航天學(xué)院機電工程系周偉教授團隊在柔性觸覺(jué)傳感器研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，提出了可以實(shí)現超靈敏高頻動(dòng)態(tài)力檢測的柔性觸覺(jué)傳感器工作新模式，突破了傳感器靈敏度的理論極限值并得到顯著(zhù)提升，相關(guān)研究成果以“Finger-inspired rigid-soft hybrid tactile sensor with superior sensitivity at high frequency”為題，以廈門(mén)大學(xué)為第一署名單位，于2022年8月29日在線(xiàn)發(fā)表在Nature Communications期刊（DOI : 10.1038/s41467-022-32827-7）。
該研究工作最初受節肢動(dòng)物結構組成的啟發(fā)，提出了一種基于剛柔并濟“三明治”結構（圖1a, b）的超靈敏高頻動(dòng)態(tài)力檢測的仿生型柔性觸覺(jué)傳感器。該結構設計不僅可提升柔性材料的力傳遞效率，而且由于剛柔并濟力傳遞層與柔性下基體的結合使得壓電層產(chǎn)生彎曲應變，從而使得柔性觸覺(jué)傳感器工作在新的模式——d31（圖1c），顛覆了傳統的壓電式柔性觸覺(jué)傳感器的d33工作模式。正是由于傳感器的工作模式的轉變，使得該柔性觸覺(jué)傳感器的靈敏度得到顯著(zhù)提升（約為346.5 pC/N，達到理論極限值的17倍）（圖1d），且具有5?600 Hz寬帶寬、0.009?4.3 N線(xiàn)性檢測范圍和實(shí)時(shí)力方向識別的優(yōu)異性能。特別是，盡管由于該柔性觸覺(jué)傳感器引入了剛性陣列結構，但通過(guò)剛柔并濟結構的優(yōu)化設計，使得該柔性觸覺(jué)傳感器具有與傳統柔性觸覺(jué)傳感器相媲美的可彎曲、可拉伸特性（圖1e），并最后將柔性觸覺(jué)傳感器成功用于精確檢測機器人的多種靈巧操作的動(dòng)態(tài)信息（圖1f）。
圖1 超靈敏高頻動(dòng)態(tài)力檢測的仿生柔性觸覺(jué)傳感器結構設計、工作機理與性能
在該研究工作中，從柔性觸覺(jué)傳感器的結構設計制造、工作機理、性能測試及應用等方面展開(kāi)了較為系統的研究，并在機器人對外界動(dòng)態(tài)信息的識別與感知方面取得了良好的實(shí)際應用效果。論文通過(guò)巧妙的引入剛柔并濟上基體和柔性下基體的設計，提出了柔性觸覺(jué)傳感器工作新模式，突破了傳統壓電式觸覺(jué)傳感器的靈敏度理論極限值，顯著(zhù)提升了傳感器的靈敏度等性能指標，為壓電式觸覺(jué)傳感器進(jìn)一步深入研究提供了新方法和新思路，尤其是對智能機器人建立類(lèi)人的觸覺(jué)感知系統具有重要的理論研究?jì)r(jià)值和意義。
廈門(mén)大學(xué)航空航天學(xué)院機電工程系周偉教授、秦利鋒副教授和香港城市大學(xué)王鉆開(kāi)教授為論文共同通訊作者，廈門(mén)大學(xué)航空航天學(xué)院機電工程系張金惠博士后為論文第一作者。同時(shí)，該研究工作還得到了香港理工大學(xué)姚海民教授，廈門(mén)大學(xué)陳松月、謝瑜、馬盛林、羅濤、凌偉淞等老師的指導和幫助，參與本研究工作的還有香港城市大學(xué)莫佳穎博士生和廈門(mén)大學(xué)陳銳博士生。廈門(mén)大學(xué)田中群院士對論文的總體構思、文字撰寫(xiě)及投稿過(guò)程中提出了寶貴建議和意見(jiàn)，洪文晶、褚旭陽(yáng)、連云崧、葉紹干、吳粦靜等老師和多位研究生對該工作給予了支持和幫助。論文的研究工作得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目(51922092)、國家自然科學(xué)基金區域創(chuàng )新發(fā)展聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項目(U21A20136)、國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（52005423）、廈門(mén)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)部青年人才創(chuàng )新團隊項目（20720200068）等資助和支持。
