觸覺傳感器在仿生機(jī)器人假肢的開發(fā)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，特別是在提供觸覺反饋方面。然而，現(xiàn)有的傳感技術(shù)在高壓下的靈敏度和對(duì)非平坦工作表面的適應(yīng)性方面仍然存在不足。此外，觸覺傳感器的制造通常需要復(fù)雜且昂貴的制造工藝，限制了其廣泛應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)（The University of Manchester）、牛津大學(xué)（University of Oxford）、索爾福德大學(xué)（University of Salford）和中國(guó)吉林大學(xué)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Communications Engineering期刊上發(fā)表了題為“Fully 3D printed flexible, conformal and multi-directional tactile sensor with integrated biomimetic and auxetic structure”的論文，介紹了一種使用自主研發(fā)的3D打印系統(tǒng)制造的具有改進(jìn)傳感性能的保形觸覺傳感器。該傳感器通過集成仿生互鎖和負(fù)泊松比（auxetic）結(jié)構(gòu)來檢測(cè)剪切刺激。這種設(shè)計(jì)可擴(kuò)展傳感范圍（從0.1至0.26?MPa），并在法向和剪切方向上實(shí)現(xiàn)高靈敏度，其值分別為0.63?KPa?1和0.92?N?1。

此外，該觸覺傳感器能夠檢測(cè)40?90°C范圍內(nèi)的溫度變化。為了驗(yàn)證所提出方法的可行性，研究人員將觸覺傳感器直接打印到仿生機(jī)器人手的指尖、近端股骨和腰椎上。研究結(jié)果表明，所提出的方法有望在人工上肢中實(shí)現(xiàn)感覺運(yùn)動(dòng)控制和溫度傳感，并能監(jiān)測(cè)軟骨磨損出現(xiàn)的骨摩骨（bone-on-bone）負(fù)載。

由121個(gè)傳感元件組成的柔性觸覺傳感器陣列的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。該結(jié)構(gòu)包含上下乳突—負(fù)泊松比（papilla-auxetic）傳感層，并夾在兩個(gè)柔性電極層之間。觸覺元件的傳感面積和分布密度與慢適應(yīng)I型和快適應(yīng)I型機(jī)械感受器相當(dāng)，以確保所提出的傳感器的傳感能力與人類受試者的傳感能力相匹配。

圖1 觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理

一種石墨烯/碳納米管（CNT）/硅橡膠復(fù)合材料被用作打印材料以制造所提出的觸覺傳感器。該傳感器是利用自主開發(fā)的基于熔融沉積建模概念的3D打印平臺(tái)制造的。材料的制備和3D打印制造工藝如圖2所示。

圖2 材料制備和3D打印制造工藝

研究人員將其余文獻(xiàn)中已報(bào)道的觸覺傳感器的性能與本論文所提出的觸覺傳感器作了對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。他們還利用標(biāo)準(zhǔn)樣品傳感器評(píng)估了所提出的觸覺傳感器的信噪比（SNR）。由于優(yōu)化了材料成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，SNR約為18.7?dB，高于/媲美其余文獻(xiàn)中的壓阻式壓力傳感器。

圖3 不同觸覺傳感器的傳感性能對(duì)比

為了展示觸覺傳感器陣列檢測(cè)外部刺激大小和方向的能力，研究人員將傳感器直接打印在人體椎骨模型的平臺(tái)上，并使用它來監(jiān)測(cè)骨摩骨的接觸，如圖4所示。

圖4 觸覺傳感器在骨摩骨負(fù)載監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

該觸覺傳感器的尺寸和形狀可分別根據(jù)傳感區(qū)域（從毫米到厘米）和工作表面進(jìn)行定制。為了展示傳感器的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性，研究人員在仿生機(jī)器人手的食指遠(yuǎn)端指骨上打印了一個(gè)18 mm × 10 mm的觸覺傳感器，如圖5a-5c所示。圖5d、5e分別展示了仿生手在有和無觸覺反饋情況下的反應(yīng)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，觸覺傳感器能夠感知拉動(dòng)物體（即球）引起的剪切刺激，并啟動(dòng)感覺運(yùn)動(dòng)控制以保持穩(wěn)定的抓握。

圖5 食指指尖打印有觸覺傳感器的仿生手的抓握性能

研究人員對(duì)觸覺傳感器在溫度傳感方面的性能作了表征，如圖6所示。

圖6 觸覺傳感器在溫度傳感方面的性能表征

綜上所述，本研究開發(fā)了一種基于仿生互鎖和負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的全3D打印柔性觸覺傳感器，用于感知接觸壓力和環(huán)境溫度。通過使用定制的3D打印機(jī)，研究人員將石墨烯/CNT/硅橡膠和涂有銀粉的硅樹脂復(fù)合材料直接打印在工作表面上，以高效經(jīng)濟(jì)的方式制造觸覺傳感器。在靈敏度、傳感范圍和線性度方面，其性能與大多數(shù)已發(fā)布的高性能觸覺傳感器相似。仿生和負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的集成是實(shí)現(xiàn)壓力和力傳感的高靈敏度和大線性傳感范圍的關(guān)鍵因素。復(fù)合材料中CNT和石墨烯的優(yōu)化重量比確保了良好的溫度傳感性能。負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的使用提供了獨(dú)特的機(jī)械性能，可以有效地融入觸覺傳感器的設(shè)計(jì)中。這種傳感器可以被快速制造到各種工作表面上，包括遠(yuǎn)端指骨、人體椎骨和遠(yuǎn)端股骨等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜生物力學(xué)接觸的監(jiān)測(cè)。所提出的觸覺傳感器還能為仿生機(jī)器人手提供觸覺和溫度反饋，實(shí)現(xiàn)出色的感覺運(yùn)動(dòng)性能。

審核編輯：劉清