昆蟲觸角啟發(fā)研發(fā)雙模觸覺傳感器

【文章亮點(diǎn)】

多模態(tài)感知能力：通過接觸高度、接觸面積和壓力大小，傳感器（BITS）能夠感知物體的軟硬程度。

材料類型識(shí)別：利用材料獲取或失去電子的能力差異，BITS陣列生成獨(dú)特的靜電信號(hào)，從而識(shí)別不同材料類型。

楊氏模量量化：開發(fā)的ITPS（智能觸覺感知系統(tǒng)）能夠量化材料的楊氏模量，提供更精確的物理特性評(píng)估。

應(yīng)用潛力：BITS陣列可增強(qiáng)機(jī)器人和假肢的觸覺感知系統(tǒng)，在醫(yī)療康復(fù)和智能產(chǎn)業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在環(huán)境交互和觸覺反饋傳遞方面。

【圖文解讀】

圖1 生物啟發(fā)型位移和壓力傳感器的示意圖。(A) 示意圖展示了位移和壓力傳感器與彈性體的接觸。(B) 昆蟲觸角和 (C) 觸角上的壓電傳感器用于雙模電信號(hào)的檢測(cè)。(D) 位移和壓力傳感器感知的信號(hào)（電子親和力、接觸高度和接觸壓力），用于 (E)機(jī)器學(xué)習(xí)來 (F) 辨別材料類型和軟度，并量化模量。

圖2 開路電壓VOC與歸一化接觸高度hR之間的關(guān)系。（A）BITS單元與彈性體接觸的示意圖。（B）實(shí)驗(yàn)結(jié)果和（C）COMSOL模擬結(jié)果顯示開路電壓VOC與帶有或不帶有參考電極的hR之間的關(guān)系。（D）COMSOL模擬（在15％hR處的VOC）。（E）當(dāng)與PDMS彈性體和PDMS / PMMA接觸時(shí)，ΔVn與hR之間的關(guān)系。（F）關(guān)于PDMS彈性體，Ecoflex 00-10，Ecoflex 00-20和Ecoflex 00-30，計(jì)算的hR與實(shí)驗(yàn)hR之間的一致性。

圖3BITS單元的影響因素。(A) 半球形和平面頭BITS隨力增加的ΔVn變化。(B) 使用半球形頭BITS的PDMS彈性體和PDMS/PMMA之間ΔVn與接觸力的關(guān)系（藍(lán)色區(qū)域：常數(shù)區(qū)域）。(C) 不同接觸分離距離下ΔVn與hR的關(guān)系，以及(D) 不同濕度環(huán)境下的關(guān)系。不同摩擦電層（分別為FEP，PVDC，PE和PU）的BITS單元中ΔVn與hR的關(guān)系(E)，以及(F) PDMS彈性體，NBR/PU海綿和PTFE/PU海綿測(cè)試樣品的關(guān)系。(G) 不同表面電荷密度的電壓曲線。(H) 接觸循環(huán)測(cè)試的電壓曲線及其放大圖。

圖4 柔軟度識(shí)別與模量量化。（A）使用PDMS彈性體和PDMS/PMMA的BITS進(jìn)行接近和接觸過程。（B）BITS陣列的示意圖和（C）照片。（D）不同物體與BITS陣列的開路電壓。（E）材料類型識(shí)別的

圖5 采用BITS陣列實(shí)現(xiàn)的材料類型和軟度識(shí)別應(yīng)用。(A) 結(jié)構(gòu)示意圖、傳感過程及機(jī)器學(xué)習(xí)的說明。(B至D) BITS陣列的輸出信號(hào)，以及(E至G) 對(duì)NBR/PMMA、PDMS/PMMA和PDMS20的識(shí)別和預(yù)測(cè)結(jié)果。

【結(jié)論與展望】

多模態(tài)觸覺感知對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用至關(guān)重要，但現(xiàn)有觸覺界面難以同時(shí)檢測(cè)物體類型和軟硬度。受昆蟲觸角鐘形感器啟發(fā)，作者提出了一種基于摩擦電效應(yīng)的半球形雙模智能觸覺傳感器（BITS）陣列。該系統(tǒng)能夠通過材料變形性和電子親和力的差異，生成獨(dú)特的摩擦電輸出指紋，實(shí)現(xiàn)材料類型識(shí)別（準(zhǔn)確率99.4%）、軟硬度識(shí)別（準(zhǔn)確率100%）和模量量化。BITS具有微型化潛力，可提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的觸覺信息，為人機(jī)一體化應(yīng)用提供類似天線的觸覺感知功能。

【參考文獻(xiàn)】

Shaoshuai Heet al.,Biomimetic bimodal haptic perception using triboelectric effect.Sci. Adv.10,eado6793(2024).DOI:10.1126/sciadv.ado6793

審核編輯 黃宇