如何利用紫外激光加工技術(shù)制造可拉伸的多傳感器陣列

近年來(lái)，軟體機(jī)器人領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)展。尤其是軟體機(jī)器人手已被證明可以抓取甚至操縱形狀復(fù)雜、易碎或易變形的物體，解決了傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人長(zhǎng)期面臨的挑戰(zhàn)?；谶@些功能，軟體機(jī)器人已成為工業(yè)、人機(jī)交互和醫(yī)療應(yīng)用的理想解決方案。然而，由于缺乏合適的傳感系統(tǒng)，它們的性能受到一定阻礙。因此，開(kāi)發(fā)用于軟體機(jī)器人手的傳感器仍然是關(guān)鍵一環(huán)。

用于軟體機(jī)器人手的傳感器網(wǎng)絡(luò)需要具備可拉伸性和柔性，能夠貼合柔軟表面并隨其移動(dòng)，并且傳感器信號(hào)不受應(yīng)變影響。雖然柔性傳感器網(wǎng)絡(luò)研究近期已取得一定進(jìn)展，但在制造成本、復(fù)雜性、定制化需求以及傳感器集成等方面，仍存在較大挑戰(zhàn)。此外，為了避免污染，食品處理和人機(jī)交互等應(yīng)用還對(duì)傳感器提出了易于更換（最好是一次性）的要求。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，斯坦福大學(xué)（Stanford University）、國(guó)立首爾大學(xué)（Seoul National University）的研究人員提出一種柔性、可拉伸的多模態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)，可與軟體機(jī)器人手集成。該傳感器網(wǎng)絡(luò)制造和集成復(fù)雜性較低，成本接近于一次性用品，并且易于更換。該項(xiàng)工作中，研究人員展示了如何利用紫外激光加工技術(shù)來(lái)制造可拉伸的多傳感器陣列，從而解決軟體機(jī)器人和假肢應(yīng)用等問(wèn)題。相關(guān)研究成果已發(fā)表于npj Flexible Electronics期刊。

研究人員使用金屬化塑料薄膜，通過(guò)紫外激光進(jìn)行圖案繪制和切割加工，實(shí)現(xiàn)低成本制備可拉伸的傳感器網(wǎng)絡(luò)。基于該設(shè)計(jì)加工策略，3分鐘內(nèi)可以在50 × 50 mm的傳感器網(wǎng)絡(luò)上制造多個(gè)傳感器和線束，金屬化塑料薄膜的成本僅為0.005美元。通過(guò)改變光束參數(shù)（功率、頻率、占空比、速度），可以在柔性導(dǎo)電薄膜的每個(gè)金屬和塑料層上繪制不同的特征。通過(guò)拉伸切割圖案，可以將其包裹在各種形狀的商用軟體機(jī)器人表面上，輕松實(shí)現(xiàn)集成。通過(guò)修改模式尺寸，可以針對(duì)具有不同動(dòng)態(tài)范圍、空間分辨率和傳感元件的不同應(yīng)用進(jìn)行縮放和定制。

基于此，研究人員制備了機(jī)器人皮膚，它由可拉伸Kirigami線跡連接的傳感器組成，嵌入在透明、柔軟且可拉伸的硅膠表皮中，然后被拉伸包裹在柔軟的機(jī)器人手指上，當(dāng)手指彎曲和伸展時(shí)都不會(huì)出現(xiàn)褶皺。該項(xiàng)研究中展示的傳感器網(wǎng)絡(luò)由4個(gè)溫度傳感器、4個(gè)接近感器組成，通過(guò)互連提供8個(gè)信號(hào)和2根接地線連接到機(jī)器人手指背部。

集成激光加工的Kirigami傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟體機(jī)器人手

傳感器網(wǎng)絡(luò)的制造和表征

通過(guò)將傳感器網(wǎng)絡(luò)包裹在軟體機(jī)器人手上，研究人員展示了其用于食物處理和醫(yī)療應(yīng)用的可行性。接近傳感器用于在不接觸物體的情況下檢測(cè)正在靠近的物體，從而避免物體磨損或損壞。在食物處理實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)接近感應(yīng)顯示軟夾持器接觸時(shí)，它會(huì)停止抓取并保持在當(dāng)前位置，同時(shí)溫度傳感器開(kāi)始測(cè)量溫度。此外，接近和溫度傳感的結(jié)合對(duì)于軟體機(jī)器人與人類(lèi)交互時(shí)非常有用，它能夠使機(jī)器人對(duì)人進(jìn)行溫和接觸，并能區(qū)分生命體的和非生命體表面，甚至可以檢查體溫是否升高。

使用接近和溫度傳感的食品處理演示

軟體機(jī)器人的人機(jī)交互演示

研究人員稱(chēng)，未來(lái)計(jì)劃在傳感器網(wǎng)絡(luò)中集成更多其他類(lèi)型的傳感器，例如，原位制造的應(yīng)變傳感器用于本體感知，采用微結(jié)構(gòu)電介質(zhì)的邊緣場(chǎng)傳感器用于實(shí)現(xiàn)接近和壓力組合傳感。此外，為薄膜添加X(jué)Y載物臺(tái)或進(jìn)紙輥，將允許激光繪制并切割更大的區(qū)域。例如，一個(gè)由10 × 20個(gè)傳感器和線束組成的陣列，在未展開(kāi)狀態(tài)下為155 × 200 mm，展開(kāi)后可以擴(kuò)展覆蓋到一個(gè)520 × 1640 mm的軟體機(jī)器人手臂表面。相關(guān)研究將推動(dòng)軟體機(jī)器人在更多場(chǎng)景發(fā)揮重要作用。

審核編輯：郭婷