未来机器人的触觉革命：智能穿戴设备的多功能触觉传感器

MEMS

3周前

通过结合屈曲结构的独特属性，所提出的创新摩擦电多功能传感器为高精度运动反馈控制提供了新的解决方案，具有在软机器人和健康监测中的潜在应用。

1研究背景

在智能机器人和可穿戴健康监测设备的快速发展中，对于能够提供非破坏性测试、高灵敏度和精确反馈的传感器系统的需求日益迫切。传统的传感器技术，如压电传感器、电容传感器、磁性传感器和导电纳米复合材料传感器，虽然在特定应用中展示了一定的优势，但在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，多传感器系统的集成往往导致系统复杂度增加，不仅增加了制造成本，还可能引入信号干扰，影响传感器测量的准确性。特别是在软机器人的动态环境中，这些传感器可能无法提供足够的灵活性和适应性来满足复杂运动监测的需求。此外，视觉识别系统在光线不足的环境中性能下降，而压电和电磁传感器可能需要额外的能量输入或复杂的外部设备支持。针对这些挑战，摩擦电纳米发电机（TENG）技术因其简单的结构、低成本、易于集成和自供能特性而在运动监测领域显示出巨大的潜力。TENG是一种基于接触带电（摩擦电效应）和静电感应原理将机械能转换为电能的设备。当TENG的两个带电表面因机械作用而分离时，在开路条件下电极之间会形成电势差。通过将这种技术与其他材料或结构结合，研究人员近年来开发了自供能传感器，用于监测软夹持器的曲率、人体运动和生理状态。

2成果简介

在这项研究中，哈尔滨工业大学杨飞研究团队介绍了一种基于屈曲现象启发的多功能摩擦电传感器，该传感器通过结合剪纸结构和摩擦电纳米发电机原理，能够准确检测一维（1D）和二维（2D）变形。开发的拉伸屈曲传感器（BS）能够感知软夹持器的弯曲角度，允许以高识别率93.75%检测被抓取物体的大小。此外，在其1D压缩屈曲形式下，传感器可以有效识别各种人体运动模式，而2D压缩版本则可用于测量曲面的扩张，灵敏度为1.3307 V/mm。通过结合屈曲结构的独特属性，所提出的创新摩擦电多功能传感器为高精度运动反馈控制提供了新的解决方案，具有在软机器人和健康监测中的潜在应用。

3图文导读

图1 基于屈曲现象的摩擦电传感器的设计和应用。其中包括了薄膜的拉伸屈曲和地面压缩屈曲的自然现象，以及激光切割的剪纸电极和拉伸BS的示意图。

图2 拉伸BS的制造过程，包括可拉伸基底的准备、拉伸剪纸电极的准备，以及软夹持器及其与传感器的集成。

图3 对拉伸BS的特性进行了分析，包括基于PEEK基底材料的剪纸电极的拉伸力-应变关系，以及在不同湿度和温度条件下的输出信号。

图4 对压缩BS的特性进行了分析，包括不同结构电极单元的屈曲形态，以及在不同预应变下的屈曲高度模拟和实验结果。

图5 使用拉伸屈曲传感器的软抓取系统，包括软夹持器的示意图、软抓取系统的组成，以及传感器在不同夹持器弯曲度下的屈曲形态。

图6 1D和2D压缩传感器在不同应用中的感应和扩张检测，包括用于监测人体运动的可穿戴1D压缩传感器，以及用于检测曲面变形的2D压缩传感器。

4小结

本研究提出的基于屈曲现象的多功能摩擦电传感器，不仅在软机器人的精确运动反馈控制中显示出巨大的潜力，而且在可穿戴健康监测设备中也具有实际应用前景。通过实验验证，拉伸BS在检测被抓取物体大小时达到了93.75%的准确率，而压缩BS在监测曲面扩张状态时表现出1.3307 V/mm的灵敏度。此外，压缩BS还可以用于监测人体运动和生理参数，如呼吸深度和运动姿势。这些结果表明，所提出的传感器为智能系统提供了一种高效且经济的解决方案。未来的工作将集中在进一步优化传感器设计，以提高其在更广泛应用中的性能和可靠性。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110141

延伸阅读：《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》
《触觉技术及市场-2022版》