據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，一支來自芬蘭坦佩雷大學(xué)（Tampere University）的研究團(tuán)隊(duì)在Communications Engineering期刊上發(fā)表了應(yīng)用于無電子軟體機(jī)器人的集成可拉伸氣動(dòng)應(yīng)變計(jì)的最新論文，這項(xiàng)研究工作有助于具有感知功能的無電子、全氣動(dòng)軟體機(jī)器人的開發(fā)。
機(jī)器人的四個(gè)關(guān)鍵組件是傳感器、執(zhí)行器、邏輯器件和動(dòng)力源。在經(jīng)典機(jī)器人中，這些組件通常是基于電學(xué)的。然而，在軟體機(jī)器人（由軟材料制成的機(jī)器人）中，與其他類型的執(zhí)行器（例如形狀記憶合金和線驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器）相比，流體執(zhí)行器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：它們可以獲得高抓取力，可快速執(zhí)行，并可實(shí)現(xiàn)大變形。軟體氣動(dòng)執(zhí)行器的突破也啟發(fā)了流體技術(shù)在其他軟體機(jī)器人組件中的應(yīng)用。其中氣動(dòng)回路已被用于控制軟體機(jī)器人，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體已被用作氣動(dòng)動(dòng)力源。這些進(jìn)展表明，軟體機(jī)器人中的傳感器也可以是完全流體的。然而，與其他軟體機(jī)器人組件相比，軟體流體傳感器受到的關(guān)注較少。
應(yīng)變傳感器是機(jī)器人中最重要的一種傳感器類型，它在不同的配置中可以測量外部感知信息（例如，力、壓力）或本體感知信息（例如，姿態(tài)、曲率）。目前，軟體機(jī)器人中使用的大多數(shù)應(yīng)變傳感器都會(huì)輸出電信號(hào)。人們已經(jīng)提出了許多不同類型的傳感器，包括電阻、電容、摩擦電和光學(xué)傳感器等。電阻應(yīng)變計(jì)是最簡單的一種電學(xué)傳感器。電阻應(yīng)變計(jì)由蜿蜒曲折的電阻路徑構(gòu)成，其中電阻隨應(yīng)變而變化。由于軟體機(jī)器人的應(yīng)變可能很大（例如，高達(dá)1000%），因此人們提出了替代傳統(tǒng)金屬箔應(yīng)變計(jì)的方法，例如液態(tài)金屬、印刷電子和不同的離子導(dǎo)體等。
將這些類型的傳感器添加到軟體機(jī)器人中往往會(huì)增加其復(fù)雜性：（1）機(jī)器人材料和傳感器材料之間的界面是典型的失效點(diǎn)（分層、液態(tài)合金中的氣泡等）；（2）傳感器材料采用不同的工藝制造，在機(jī)器人制造工藝中增加了多個(gè)步驟（填充液態(tài)合金通道、印刷金屬導(dǎo)體等）；（3）需要單獨(dú)的執(zhí)行和傳感的控制和動(dòng)力系統(tǒng)；和（4）需要利用換能器將信號(hào)從一個(gè)能量域轉(zhuǎn)移到另一個(gè)能量域。
使用與機(jī)器人其余部分相同的材料制造的軟體流體傳感器可以解決上述所有問題。人們提出了幾種基于測量密封空氣腔室內(nèi)壓力的流體傳感器。當(dāng)腔室的形狀因伸長、壓縮或彎曲而發(fā)生改變時(shí)，其體積也會(huì)改變，從而導(dǎo)致腔室內(nèi)部的壓力發(fā)生改變。例如，Yang等人提出將氣動(dòng)腔室集成到夾持器中以測量接觸力和曲率，Choi等人提出了基于三個(gè)徑向?qū)ΨQ氣動(dòng)腔室的三軸力傳感器，Tawk等人提出了應(yīng)用于人機(jī)界面的氣動(dòng)傳感腔室。與這些想法相關(guān)，Agaoglu等人提出了一種具有兩個(gè)腔室的解決方案，一個(gè)充滿液體，另一個(gè)充滿空氣，中間有一個(gè)通道。當(dāng)液體腔室變形時(shí)，水-空氣界面發(fā)生位移，這可以通過基于圖像的測量技術(shù)進(jìn)行測量。
該論文的作者們認(rèn)為，基于在封閉有機(jī)硅腔室內(nèi)密封流體的方法對于長期測量而言本質(zhì)上是不穩(wěn)定的，因?yàn)槿魏涡孤┒紩?huì)改變傳感器的輸出。泄漏不僅會(huì)在連接故障時(shí)發(fā)生，還會(huì)在裂紋和破裂時(shí)發(fā)生。有機(jī)硅彈性體對氣體和許多油具有滲透性，這會(huì)導(dǎo)致流體在長時(shí)間內(nèi)緩慢擴(kuò)散進(jìn)出腔室。
考慮到機(jī)器人技術(shù)研究人員和開發(fā)人員對電路分析的熟悉程度，許多軟體機(jī)器人都具有其等效電路：容器類似于電容，氣閥類似于晶體管，窄通道類似于電阻。Kusuda等人在基于單個(gè)氣動(dòng)微通道的u形彎曲傳感器中使用了電阻的電流體（electrofluidic）模擬。他們能夠通過測量微通道中流速的變化來測量執(zhí)行器的彎曲度。
圖1 可拉伸氣動(dòng)應(yīng)變計(jì)
在本論文中，作者們報(bào)道了極軟材料中蜿蜒曲折的氣動(dòng)微通道可用作氣動(dòng)電阻應(yīng)變計(jì)（圖1a），類似于電阻應(yīng)變計(jì)。他們使用電流體模擬（圖1b）將微通道內(nèi)的測量壓力轉(zhuǎn)換為流體阻力，并表明當(dāng)通道伸長時(shí)，流體阻力會(huì)增加（圖1c）。氣動(dòng)應(yīng)變計(jì)（圖1d，e）中的微通道是通過將彈性體澆鑄到3D打印或光刻的模具中來制造的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的氣動(dòng)應(yīng)變計(jì)在長期加載期間是穩(wěn)定的，沒有遲滯現(xiàn)象，并且能夠承受高達(dá)300%的工程應(yīng)變（圖1f）。他們將這種氣動(dòng)應(yīng)變傳感器集成到一個(gè)軟體機(jī)器人夾持器中，并表明它們可用于測量本體感知和外部感知信息：該氣動(dòng)應(yīng)變傳感器可用于檢測每個(gè)夾持器手指的曲率，并可用作觸覺壓力傳感器，以檢測夾持器何時(shí)接觸到物體。此外，通過將外部感知傳感器的輸出直接連接到軟體流體執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)壓力中，他們實(shí)現(xiàn)了一種在與物體接觸時(shí)可自動(dòng)閉合的夾持器，完全不需要任何電子元件。
圖2 軟體氣動(dòng)應(yīng)變計(jì)的穩(wěn)定性和靈敏度
圖3 具有感知功能的全氣動(dòng)軟體機(jī)器人
綜上所述，該論文中所提出的軟體氣動(dòng)應(yīng)變計(jì)提供了一種將本體感知和外部感知傳感集成到氣動(dòng)軟體機(jī)器人中的方法。與經(jīng)過充分研究的基于液態(tài)合金的電阻傳感器相比，提出的氣動(dòng)應(yīng)變傳感器的制造步驟更少，雖然這兩種傳感器都需要微流控通道，但氣動(dòng)應(yīng)變傳感器不需要在通道中填充空氣以外的任何物質(zhì)。與電阻傳感器相比，氣動(dòng)應(yīng)變傳感器具有更小的遲滯和漂移。氣動(dòng)應(yīng)變傳感器與軟體氣動(dòng)執(zhí)行器的氣動(dòng)原理相同，因此只需要一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)。未來，文中所提出的氣動(dòng)應(yīng)變傳感器有望在全氣動(dòng)、無電子元件的軟體機(jī)器人器件中擁有更多的實(shí)際應(yīng)用。
論文信息：
Koivikko, A., Lampinen, V., Pihlajam?ki, M. et al. Integrated stretchable pneumatic strain gauges for electronics-free soft robots. Commun Eng 1, 14 (2022).
https://doi.org/10.1038/s44172-022-00015-6
延伸閱讀：
《印刷和柔性傳感器技術(shù)及市場-2021版》
《觸覺技術(shù)及市場-2021版》
《Merit Sensor壓力傳感器及MEMS芯片分析》
