通過將基于微/納結構的柔性壓力傳感器集成到機器人中，可以實現靈敏的觸覺感知。然而，例如金字塔和半球等傳統對稱結構，只能感知力的大小，卻無法感知力的方向。觸覺不僅由壓力引起，還由剪切力和摩擦力所引起，其方向和大小都很重要。
據麥姆斯咨詢報道，由中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室與河南農業大學機電工程學院組成的科研團隊在Advanced Science期刊上發表了以“Skin-Inspired Capacitive Flexible Tactile Sensor with an Asymmetric Structure for Detecting Directional Shear Forces”為主題的論文。該論文的第一作者兼通訊作者為于海波研究員，另一位通訊作者為劉連慶研究員。
受皮膚結構的啟發，這項研究設計了一種基于非對稱微毛發（microhair）結構陣列的電容式柔性觸覺傳感器，用于感知剪切力及其方向。通過雙光子聚合（TPP）和復制得到了非對稱微毛發結構。由于微毛發結構的非對稱特性，不同的剪切力方向會導致不同的變形。因此，該研究所設計的器件既可以確定靜態剪切力方向，也可以確定動態剪切力方向。
研究人員從皮膚結構獲取靈感，設計了傾斜微毛發陣列（TMHA）結構，作為電容式觸覺傳感器的介電層。人體皮膚是一個綜合系統，包括表皮層、真皮層和皮下組織，以及眾多的機械感受器，如圖1a所示。傾斜毛發結構表現出仿生特性，可用于制造基于TMHA的觸覺傳感器，如圖1b所示。圖1c至圖1e展現了基于TMHA的介電層的掃描電鏡（SEM）圖像。
圖1 基于TMHA的觸覺傳感器的仿生機理、制造工藝及表征
隨后，研究人員模擬了TMHA的變形，以便研究介電層間隙在壓力與雙向剪切力載荷作用下的響應。相關模擬結果如圖2所示。
圖2 基于TMHA的觸覺傳感器的COMSOL模擬結果
基于TMHA的電容式傳感器在低壓狀態下具有寬壓力響應范圍和高靈敏度。觸覺傳感器的壓力傳感機理如圖3c所示。
圖3 基于TMHA的觸覺傳感器的壓力傳感特性
對方向性剪切力作用下的介電層間隙的模擬表明，基于TMHA的電容式傳感器的信號趨勢可以區分剪切力。觸覺傳感器的剪切力傳感機理如圖4a所示。
圖4 基于TMHA的觸覺傳感器的剪切力傳感特性
接著，基于TMHA的觸覺傳感器還顯示出了集成于靈巧手中的潛力，憑借其靈活性、敏感性和適應性等特點可實現人機交互。集成基于TMHA的觸覺傳感器的靈巧手的應用案例如圖5所示。
圖5 集成基于TMHA的觸覺傳感器的靈巧手應用案例
最后，為了提高機器人在精細操作任務中的感知度和精度，在機器人的拇指上安裝了基于TMHA的觸覺傳感器作為觸覺電子皮膚（e-skin）。相關實驗情況和結果如圖6所示。
圖6 集成基于TMHA的觸覺傳感器的機械手在抓取實驗中的應用
綜上所述，這項研究提出了利用基于TMHA的觸覺傳感器來感知壓力和剪切力。TMHA的非對稱結構在不同方向剪切力的作用下可產生不同的彎矩。基于TMHA的觸覺傳感器在壓力和剪切力傳感方面表現出較高的靈敏度和穩定性。此外，該研究還嘗試在機器人和靈巧手上集成基于TMHA的觸覺傳感器，以增強其交互性能和安全性。機器人抓取實驗證明了該傳感器在機器人觸覺反饋系統中的應用潛力。此類觸覺傳感器為未來剪切力傳感器的設計提供了新發展方向，同時還可應用于開發人機界面。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/advs.202305883
延伸閱讀：
《Merit Sensor壓力傳感器及MEMS芯片分析》
《觸覺技術及市場-2022版》
《電子皮膚貼片技術及市場-2022版》
《可穿戴技術及市場-2023版》
《機器人傳感器技術及市場-2022版》
