用于小型腿式機(jī)器人的仿生裂紋觸覺傳感器介紹

對于腿式機(jī)器人來說，收集觸覺信息對保持穩(wěn)定的姿勢和高效的步態(tài)至關(guān)重要。然而，用于重量不到1公斤的小型機(jī)器人的傳感器?，在耐用性、靈活性、靈敏度和尺寸方面仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。仿生裂紋觸覺傳感器具有超靈敏、小尺寸和靈活的特性，是一款很有前途的候選傳感器，但由于重復(fù)使用導(dǎo)致裂紋增長，進(jìn)而致使傳感器性能下降是一個(gè)絆腳石。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，韓國亞洲大學(xué)（Ajou University）聯(lián)合韓國國防發(fā)展署（Agency for Defense Development）國防工業(yè)技術(shù)中心（Defense Industry Technology Center）、美國普渡大學(xué)（Purdue University）以及韓國LIG Nex1公司的研究人員在nature期刊上發(fā)表了一篇題為“Ultra-stable and tough bioinspired crack-based tactile sensor for small legged robots”的論文，文中提出研究人員使用銀納米線（Ag-NW）網(wǎng)格作為止裂層，通過控制裂紋深度，開發(fā)了一款超穩(wěn)定、超堅(jiān)韌的仿生裂紋傳感器（ULTIMAC）。

受皮膚膠原蛋白結(jié)構(gòu)啟發(fā)而創(chuàng)建的銀納米線網(wǎng)格有效地減緩了裂紋的擴(kuò)展。該傳感器非常薄、重量輕、靈敏且超耐用，在0.5%應(yīng)變下，可保持20萬次循環(huán)的靈敏度。研究人員通過在仿生機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)觸覺感知來驗(yàn)證傳感器的可行性，并提出了基于統(tǒng)計(jì)和深度學(xué)習(xí)的分析方法，成功地區(qū)分了地形類型。

仿生裂紋觸覺傳感器，適用于小型腿式機(jī)器人

圖1：仿生裂紋觸覺傳感器及其應(yīng)用于機(jī)器人的地面?zhèn)鞲懈庞[

該仿生裂紋觸覺傳感器由四層組成：（1）導(dǎo)電和裂紋起始層（Au和Cr）；（2）裂紋延伸層（固化聚酰亞胺（PI）樹脂）；（3）止裂層（Ag-NW網(wǎng)）和（4）支撐層（聚酰亞胺膜）（圖1a）。該傳感器裂紋的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像如圖1a右上角（插圖）所示。受皮膚膠原蛋白結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，仿生裂紋觸覺傳感器嵌入了止裂層，大大提高了其耐用性。

受皮膚出色的抗撕裂特性啟發(fā)，研究人員設(shè)計(jì)了該款含有銀納米線的極?。s10?μm）且輕（約6?mg）的堅(jiān)韌型傳感器（圖1d）。他們模擬了皮膚的膠原蛋白結(jié)構(gòu)，以控制傳感器中的裂縫深度并提高了其耐用性（圖1e）。銀納米線通過旋涂很容易編織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具備高縱橫比（約3300）和高強(qiáng)度（約3?GPa）特性（圖1e，插圖）。

此外，通過分析該傳感器信號的峰值高度（PH）和峰間間隔（PP），研究人員可以識別地面坡度、地形類型和地面振動等各種信息（圖1g）。圖1h顯示了當(dāng)仿生裂紋觸覺傳感器連接到機(jī)器人上時(shí)，金屬裂紋打開和閉合的電氣響應(yīng)。當(dāng)機(jī)器人一條腿接觸地面時(shí)，產(chǎn)生的地面反作用力（GRF）使另一條腿偏轉(zhuǎn)，裂縫變寬，傳感器的電阻增加。

裂紋擴(kuò)展下的疲勞行為及嵌入或不嵌入止裂層時(shí)傳感器的特性

圖2：裂紋擴(kuò)展下的疲勞行為及嵌入或不嵌入銀納米線層時(shí)傳感器的特性

圖2c顯示了在0.5%應(yīng)變下，嵌入和不嵌入銀納米線止裂層的仿生裂紋觸覺傳感器在重復(fù)循環(huán)中的靈敏度變化。圖2d顯示了在0.5%應(yīng)變下，進(jìn)行20萬次循環(huán)的“馬拉松式”測試后，嵌入和不嵌入銀納米線層的仿生裂紋觸覺傳感器的SEM橫截面圖像。此外，通過對兩種情況的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，研究人員證實(shí)了該止裂方法可以應(yīng)用于其它聚合物/納米線組合。

圖2e~2g顯示了該傳感器在不同應(yīng)變、再現(xiàn)性、滯后和響應(yīng)時(shí)間下電阻的變化，這可能是基本特征。圖2e顯示了在不同最終應(yīng)變下，傳感器電阻的循環(huán)變化。圖2f為加載到1%應(yīng)變和卸載到0%應(yīng)變的五個(gè)獨(dú)立傳感器的電阻，顯示了傳感器的高再現(xiàn)性和可忽略的滯后性。圖2g為具有銀納米線層的傳感器在0.16 ms內(nèi)響應(yīng)振動?。此外，通過在100 Hz ~ 400 Hz的頻率范圍內(nèi)施加位移加載（0 ~ 0.1 μm），驗(yàn)證了傳感器的高頻響應(yīng)特性。

仿生裂紋觸覺傳感器的機(jī)械和電氣特性

圖3：具有銀納米線層的仿生裂紋觸覺傳感器的機(jī)械和電氣特性

圖3a為銀納米線滲流網(wǎng)格的SEM圖像，該網(wǎng)格自旋涂覆成具有兩種不同密度面的柔性連續(xù)網(wǎng)格。圖3b顯示了不同的銀納米線密度下，傳感器在較高應(yīng)變水平下，拉伸應(yīng)力的差異。隨著銀納米線層密度的增加，其拉伸強(qiáng)度也增加。研究人員還測量了不同密度銀納米線層的傳感器韌性（拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的面積），這表明在引發(fā)斷裂之前每體積可以吸收的機(jī)械變形能量。該韌性比沒有銀納米線層的傳感器高出2.2倍（45.5 MJ/m3）。

為了評估嵌入的銀納米線層對傳感器靈敏度的整體影響，研究人員根據(jù)傳感器上的施加應(yīng)變和銀納米線密度，通過SEM測量了與傳感器電導(dǎo)直接相關(guān)的裂紋間隙位移（圖3c、3d）。結(jié)果表明，傳感器上的施加應(yīng)變和裂紋間隙位移具有正線性關(guān)系，隨著銀納米線密度的增加，裂紋尖端上的應(yīng)力減小，裂紋間隙位移減小。同時(shí)還表明，增加銀納米線層的密度可以分散裂紋尖端的集中應(yīng)力，從而提高仿生裂紋傳感器的耐久性，但同時(shí)也會減少裂紋間隙的位移，從而降低傳感器的靈敏度。

仿生裂紋觸覺傳感器的地形感知

圖4：在仿生腿式機(jī)器人上安裝仿生裂紋觸覺傳感器，實(shí)現(xiàn)地形檢測和步態(tài)分析

在測試了仿生裂紋傳感器的各種性能后，研究人員將傳感器連接到一個(gè)仿生腿式機(jī)器人上進(jìn)行了試驗(yàn)。他們使機(jī)器人在跑步機(jī)上進(jìn)行了長時(shí)間的跑步測試，并收集了大量傳感器數(shù)據(jù)（圖4c）。機(jī)器人總共在四類地形上運(yùn)行：平坦、上坡、下坡和礫石路面，收集的部分傳感器數(shù)據(jù)如圖4d所示。研究人員使用Poincaré Plot（非線性分析的一種方法）來可視化機(jī)器人步態(tài)的整體可變性：更小、更集中的圖表示步態(tài)穩(wěn)定性更高，而更分散的圖則表示步態(tài)不穩(wěn)定。

綜上所述，研究人員通過納米裂紋深度控制的方法，開發(fā)了一款輕薄、靈活、響應(yīng)快且極其敏感的，甚至高度耐用的觸覺傳感器。他們在該傳感器中嵌入了銀納米線網(wǎng)格作為止裂層，以緩解指定裂紋深度下的裂紋擴(kuò)展。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的靈感來源于人體皮膚中的膠原纖維網(wǎng)，該網(wǎng)狀物具有顯著的抗撕裂性，柔韌性強(qiáng)。在研究人員的測試中，這種嵌入的銀納米線網(wǎng)格層成功地控制了裂紋的擴(kuò)展，并保持了傳感器整體的靈敏度，即使在0.5%應(yīng)變下超過20萬次循環(huán)的應(yīng)變試驗(yàn)中也很靈敏。

他們通過實(shí)驗(yàn)和有限元法（FEM）模擬確定了銀納米線的密度或嵌入深度與裂紋間隙位移之間的結(jié)構(gòu)變形，這成功地提高了傳感器的疲勞壽命，而不會對傳感器的靈敏度產(chǎn)生不利影響。將仿生裂紋觸覺傳感器集成到小型腳式機(jī)器人上，可以提供各種功能，為反饋控制提供關(guān)鍵信息。集成的觸覺傳感器可以通過在機(jī)器人運(yùn)行時(shí)傳輸?shù)綑C(jī)器人腳部的機(jī)械信號來檢測機(jī)器人每一步所產(chǎn)生的力。該傳感器還能夠檢測地形類型、道路坡度、施加在機(jī)器人上的靜態(tài)載荷，甚至地板的振動。

審核編輯：劉清