一種用于機械手的3D打印可穿戴應(yīng)變與觸覺傳感器陣列

供稿人：閆萬權(quán)、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

隨著柔性電子技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，尤其是機器人感知領(lǐng)域?qū)θ嵝詰?yīng)變傳感器和壓力傳感器的需求量很大。相比于電容式、壓電式傳感器，壓阻式柔性傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊，信號易處理，可同時檢測靜態(tài)與動態(tài)信號等優(yōu)點，因此非常適合集成以實現(xiàn)機械手的自我感知。然而，柔性應(yīng)變/壓力傳感器常用的制造方法例如轉(zhuǎn)印、蝕刻、沉積等，對于表面或材料存在諸多限制。相比之下，3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)使得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高速高精度制造成為了可能。為此，太原理工大學(xué)的科研團隊使用DLP光固化3D打印技術(shù)，制造出具有多孔結(jié)構(gòu)壓阻式柔性應(yīng)變與壓力傳感器，并將其布置于機械手上組成傳感陣列，成功實現(xiàn)了機械手的抓握感知。

研究人員通過DLP打印技術(shù)制備出柔性多孔結(jié)構(gòu)基體，并將其置于石墨烯懸浮液中，使得多孔結(jié)構(gòu)表面被石墨烯納米片層均勻包裹，并形成導(dǎo)電通路，如圖1所示。其中二維多孔結(jié)構(gòu)用于制備柔性應(yīng)變傳感器，三維多孔結(jié)構(gòu)用于制備柔性壓力傳感器。

圖1 多孔結(jié)構(gòu)應(yīng)變/壓力傳感器的制備流程及其陣列布置

該傳感器的工作機制是基于電子的隧穿效應(yīng)。微觀層面上，石墨烯片層存在完全接觸、可實現(xiàn)電子隧穿的近距離靠近與遠距離斷路三種狀態(tài)。由于柔性基體的變形，三種狀態(tài)的比例發(fā)生變化,如圖2(c)所示，則表現(xiàn)出宏觀上的電阻變化。當(dāng)多孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉伸或壓縮變形時，孔的邊以及轉(zhuǎn)角的變形均會對石墨烯片層的狀態(tài)產(chǎn)生影響，但由于單個孔中四個內(nèi)角的壓縮角等于拉伸角，因此內(nèi)角變化引起的電阻變化相互抵消，整體電阻變化均來源于四邊的電阻變化，如圖2(d)(e)所示。

圖2 傳感原理：(a-b)單胞結(jié)構(gòu)的拉伸/壓縮仿真(c)石墨烯狀態(tài)轉(zhuǎn)變(d-e)拉伸/壓縮狀態(tài)下的阻值變化

研究人員對于不同單胞形狀（圓形、六邊形、方形）的多孔結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的性能對比，最終確定選擇檢測范圍最大的方孔結(jié)構(gòu)作為應(yīng)變傳感器，選擇電阻信號連續(xù)變化的六邊形孔結(jié)構(gòu)作為壓力傳感器，并分別將其布置于機械手關(guān)節(jié)處與手指內(nèi)側(cè)，實現(xiàn)了機械手的抓握感知，如圖3所示。在未來的機器人領(lǐng)域，該3D打印柔性傳感器陣列設(shè)計將具有廣闊的應(yīng)用前景與巨大的開發(fā)潛力。

圖3 機械手抓握感知：(a)實驗所使用機械手 (b-d)壓力傳感器布置于接觸感知 (e-f)應(yīng)變傳感器對手指彎曲程度感知

參考文獻：

Pei, Q Zhang, K Yang, et al. A Fully 3D-Printed Wearable Piezoresistive Strain and Tactile Sensing Array for Robot Hand[J]. Adv. Mater. Technol. 2021, 6, 2100038.