據麥姆斯咨詢報道，近日，由澳大利亞墨爾本大學（The University of Melbourne）和澳大利亞研究理事會的電子材料科學卓越中心（Australian Research Council Centre of Excellence for Electromaterials Science）組成的研究團隊在Scientific Reports期刊上發表了基于柔性機械超材料（metamaterials）的多力傳感范圍的多靈敏度軟性觸覺（Multi-sensitivity Soft Tactile，MST）傳感器的最新論文。該論文中所提出的MST傳感器在機器人操縱、人機交互、生物醫學工程和健康監測等應用中具有巨大的潛力。
圖1 MST傳感器力傳遞介質的機械超材料結構
近年來，軟性和柔性觸覺傳感器因其與人和環境交互中的固有安全性、可穿戴設備的柔性以及在諸如用于靈巧物體操縱的軟性機械手、智能假肢和健康監測等應用中的易集成性而受到廣泛關注。隨著實際應用中不同環境中的交互變得越來越復雜，人們迫切需要能夠適應具有不同靈敏度的不同交互作用力的觸覺傳感器。例如，在集成對象操縱的不同階段，如觸覺物體識別、紋理識別、滑動檢測和手部操縱，需要在不同的力傳感范圍內具有不同靈敏度的觸覺傳感器。
現有的軟性觸覺傳感器通常僅根據力傳遞材料的剛度和傳感原理（電阻式、電容式、光學式等）提供單個預先確定的力傳感靈敏度和動態范圍。由于每種傳感原理都有其自身的能力限制，因此，靈敏度和傳感范圍之間的權衡一直是一個固有的問題。通常，這些軟性觸覺傳感器的機械結構是經過仔細校準的，這導致要么在狹窄的力傳感范圍內具有高靈敏度，或者在較寬的力傳感范圍內靈敏度較低。
為了擴大力傳感范圍并將靈敏度保持在可靠水平（同時實現高接觸力靈敏度和寬力傳感范圍），研究人員曾嘗試使用基于分層織物的電阻傳感器、可填充微結構、基于壓力峰值效應的多級微結構或柔性壓阻傳感器。然而，這些傳感器的功能仍然局限于特定的靈敏度和力傳感范圍，具體取決于材料成分或制造工序。目前還沒有一種軟性觸覺傳感器能夠產生多個任意的、預定義的靈敏度和力傳感范圍。
受具有不同剛度的多層的人體皮膚的啟發，澳大利亞研究團隊在這篇論文中提出了一種異質多層結構和相關的設計框架，以產生一種跨力傳感范圍的MST傳感器。這是通過每層結構剛度可調的多層結構實現的。他們提出的結構可使接觸力以不同速率轉換為不同層的位移，具體取決于各層的剛度。不同的力-位移速率曲線對應于MST傳感器的不同靈敏度。
為了實現具有多個預定義和可調力-位移曲線的結構，研究團隊開發了一種柔性/軟性機械超材料。該機械超材料是一種架構化結構，其機械性能由其結構而非化學成分定義。通過對已知材料的結構操縱，改變機械超材料的拓撲結構將產生新的機械性能。機械超材料所需的特性可以通過探索其結構的幾何參數所提供的充足的設計空間來實現。不同的結構被用于實現不同的軟性傳感系統，例如用于可拉伸應變傳感器的拉脹結構，用于壓力傳感的基于晶格的結構，或用于肌電信號檢測的基于折紙的結構。
在這篇論文中，作者們提出了一種多層晶胞機械超材料作為軟性觸覺傳感器的力傳遞結構，通過改變結構的幾何參數，為每層所需的剛度創建了一個大型的線性力-位移（剛度）模式庫。然后，他們使用一種可以測量各層產生位移的換能方法，該方法可以在不同的力傳感范圍內以不同的靈敏度測量接觸力。在這項研究中，基于磁場的換能方法被用于測量各層的位移信息。測量磁場的變化可提供位移信息，結合各層的機械行為，將提供在靈敏度和力傳感范圍方面所需的特性。
圖2 MST傳感器的基于磁場的換能方法
研究人員提出了一個系統的設計程序來選擇合適的設計參數以產生所需的特性。他們使用廣泛可用的臺式3D打印機制造了MST傳感器結構的兩個示例設計，并對其性能進行了測試。結果表明，該MST傳感器能夠在靈敏度和力傳感范圍方面提供所需的特性，并且可以在單個結構中實現不同的形狀、尺寸和層數。本論文研究中MST傳感器的兩個示例設計表明其在人類健康監測的可穿戴診斷設備、未來護理機器人和家用機器人等應用中具有巨大的潛力。
圖3 MST傳感器的兩個示例設計的性能演示
該研究項目由Valma Angliss Trust和墨爾本大學資助。
論文信息：
Mohammadi,
A., Tan, Y., Choong, P. et al. Flexible mechanical metamaterials
enabling soft tactile sensors with multiple sensitivities at multiple
force sensing ranges. Sci Rep 11, 24125 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41598-021-03588-y
延伸閱讀：
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《觸覺技術及市場-2021版》
《印刷和柔性傳感器技術及市場-2021版》
《3D打印硬件技術和市場-2022版》
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