可用于機(jī)器人觸覺感知的零泊松比柔性傳感器

超構(gòu)材料因其超常的機(jī)械、物理、化學(xué)特性，在諸多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，但是如何將超構(gòu)材料融入傳感器件并實(shí)現(xiàn)超乎尋常的感知性能一直是柔性傳感領(lǐng)域的難點(diǎn)。為解決這一問題，華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院吳豪團(tuán)隊(duì)提出了彈性體薄膜泊松比調(diào)控新方法，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)控制彈性體薄膜的泊松比。

基于此方法制備的具有零泊松比超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)的柔性傳感器能夠獨(dú)立感知雙軸信號(hào)。近日，上述相關(guān)成果“Flexible sensors with zero Poisson’s ratio（零泊松比柔性傳感器）”發(fā)表于《國家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review, NSR），華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院博士生黃鑫為論文第一作者，吳豪教授為通訊作者。

這項(xiàng)工作將常見的正泊松比結(jié)構(gòu)和負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行融合，并通過結(jié)構(gòu)特征的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)彈性體薄膜泊松比的控制，制備出具有零泊松比的柔性薄膜。同時(shí)，這種零泊松比結(jié)構(gòu)構(gòu)筑了僅對(duì)單軸應(yīng)變靈敏的傳感區(qū)域，在這些傳感區(qū)域設(shè)計(jì)波浪形的應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)增強(qiáng)傳感靈敏度的同時(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)其他軸信號(hào)的抗干擾特性。通過有限元方法分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下薄膜的泊松比，從而優(yōu)化分析出能夠?qū)崿F(xiàn)零泊松比的最佳參數(shù)。

零泊松比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

在單軸拉伸下，零泊松比薄膜中垂直于拉伸軸的傳感單元承受局部應(yīng)變近乎為零且不隨整體拉伸應(yīng)變的變化而變化。在雙軸拉伸下，零泊松比薄膜的X軸傳感單元的局部應(yīng)變僅受X軸整體應(yīng)變的影響，不同的Y軸整體應(yīng)變對(duì)X軸傳感單元的局部應(yīng)變沒有影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雙軸信號(hào)的解耦感知。

零泊松比傳感器性能表征

為了驗(yàn)證零泊松比傳感器對(duì)雙軸信號(hào)的感知能力，文中演示了貼附有該傳感器的機(jī)械手抓取紙杯過程中的接觸力變化。在抓取過程中，紙杯和機(jī)械手接觸面的曲率會(huì)發(fā)生較大變化。對(duì)零泊松比傳感器來說，這種曲率變化對(duì)垂直于彎曲方向的傳感單元的影響很小，因此零泊松比傳感器能夠準(zhǔn)確檢測(cè)抓取紙杯過程中的接觸力。

然而，對(duì)不具有零泊松比結(jié)構(gòu)的普通柔性傳感器來說，這種曲率變化對(duì)雙軸傳感單元均有較大影響，導(dǎo)致抓取接觸力的錯(cuò)誤感知。同時(shí)，貼附在仿生四指機(jī)械手上的零泊松比傳感器能夠準(zhǔn)確區(qū)分機(jī)械手的正常工作和碰到障礙物狀態(tài)，進(jìn)一步證實(shí)零泊松比傳感器具有在復(fù)雜大變形條件下準(zhǔn)確感知觸覺信號(hào)的能力。

零泊松比傳感器對(duì)抓握接觸力的感知

另一方面，將零泊松比傳感器貼附在熱驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人上進(jìn)一步檢驗(yàn)傳感器對(duì)雙軸彎曲信號(hào)的獨(dú)立感知。該傳感器能夠準(zhǔn)確感知軟體機(jī)器人分別沿X軸和Y軸的運(yùn)動(dòng)距離，最終合成機(jī)器人整體的運(yùn)動(dòng)距離和方向，證明該傳感器能夠?yàn)檐涹w機(jī)器人提供自身形變和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)確感知。

零泊松比傳感器感知軟機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

論文鏈接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwae027

審核編輯：劉清