大多數(shù)人在聽(tīng)到“陶瓷”這個(gè)詞時(shí)，會(huì)想到咖啡杯、浴室瓷磚或花盆。但Frank Clemens想到的可不是這些。對(duì)于這位瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究院（EMPA）高性能陶瓷實(shí)驗(yàn)室（Laboratory for High-Performance Ceramics）的研究小組負(fù)責(zé)人來(lái)說(shuō)，陶瓷可以導(dǎo)電，具有實(shí)現(xiàn)智能化的潛力，甚至能像人類(lèi)皮膚一樣，具備“感知”能力。
據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，F(xiàn)rank Clemens和他的團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)一種基于陶瓷的軟體傳感器材料。這種軟體陶瓷傳感器可以“感知”溫度、應(yīng)變、壓力、濕度等，這使得其在醫(yī)學(xué)和軟體機(jī)器人領(lǐng)域都頗具應(yīng)用價(jià)值，相關(guān)研究論文以“Sensor-Embedded Muscle for Closed-Loop Controllable Actuation in Proprioceptive Biohybrid Robots”為題發(fā)表在《先進(jìn)智能系統(tǒng)》（Advanced Intelligent Systems）期刊上。
基于骨骼肌組織的生物驅(qū)動(dòng)器本體感覺(jué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：（A）該機(jī)械傳感器使用一種壓阻復(fù)合材料，被設(shè)計(jì)為硅橡膠絕緣纖維。該纖維具有諸多優(yōu)勢(shì)：良好的傳感性能、在軟體機(jī)制中的可集成性、在工程骨骼肌組織中的生物相容性以及在細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境中的可操作性；（B）當(dāng)與生物驅(qū)動(dòng)器組裝在一起時(shí)，該機(jī)械傳感器顯示出由電刺激觸發(fā)的微運(yùn)動(dòng)，并不受外加電場(chǎng)的干擾，并且該機(jī)械傳感器信號(hào)可用于調(diào)節(jié)肌肉電刺激裝置提供的刺激脈沖。
軟體陶瓷——這是如何實(shí)現(xiàn)的呢？像Frank Clemens這樣的材料科學(xué)家將陶瓷定義為一種無(wú)機(jī)的非金屬材料，這種材料是通過(guò)一種被稱(chēng)為燒結(jié)的高溫工藝，由一堆松散的顆粒制備而成。
陶瓷的成分多種多樣，其性能也會(huì)因此發(fā)生變化。但是在Frank Clemens的實(shí)驗(yàn)室里卻看不到陶器和瓷器。研究人員主要使用諸如鈮酸鉀鈉（KNN）和氧化鋅之類(lèi)的材料，還會(huì)用到碳顆粒進(jìn)行研究。由于這些材料沒(méi)有一種是柔軟的，所以為了將它們制成軟體陶瓷傳感器，研究人員將陶瓷顆粒嵌入到可拉伸塑料之中。
Frank Clemens說(shuō)：“我們研究的是所謂的高填充系統(tǒng)，我們選取一種由熱塑性塑料制成的基質(zhì)，然后在不影響基質(zhì)彈性的前提下，盡可能多的往里面填充陶瓷顆粒。”
如果這種高填充的基質(zhì)隨后被拉伸、壓縮或暴露于溫度波動(dòng)的環(huán)境中，陶瓷顆粒之間的距離就會(huì)發(fā)生變化，軟體陶瓷傳感器的電導(dǎo)率也會(huì)隨之改變。Frank Clemens強(qiáng)調(diào)，沒(méi)有必要用陶瓷將整個(gè)基質(zhì)填滿(mǎn)：通過(guò)3D打印技術(shù)，研究人員還可以將軟體陶瓷傳感器作為一種“神經(jīng)”嵌入軟體組件中。
智能化和選擇性反應(yīng)
軟體陶瓷傳感器的制造并不那么容易。通常，軟體陶瓷傳感器可以同時(shí)對(duì)不同的環(huán)境因素表現(xiàn)得很敏感，例如溫度、應(yīng)變、濕度等。Frank Clemens說(shuō)：“如果人們想在實(shí)踐中使用它們，必須首先明確自己想要測(cè)量的物理量是什么。”他的研究小組已經(jīng)成功地制造出只對(duì)壓力或溫度有選擇性反應(yīng)的軟體陶瓷傳感器。
Frank Clemens及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于陶瓷顆粒的軟體智能傳感器材料
Christopher Bascucci展示了一種可用于軟體陶瓷傳感器強(qiáng)化的軟體材料
研究人員將這些軟體陶瓷傳感器集成到一只假肢手中。該假肢手能“感知”其手指的彎曲情況，并在接觸到高溫表面時(shí)有所察覺(jué)。這種“敏感度”不管對(duì)于機(jī)器人抓取工具還是人類(lèi)的假肢來(lái)說(shuō)都是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。
瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)在開(kāi)發(fā)柔軟的“機(jī)器人皮膚”方面更進(jìn)了一步。這種多層塑料傳感器與人類(lèi)皮膚類(lèi)似，能對(duì)觸摸和溫差做出反應(yīng)。
為了評(píng)估這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)，瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究院與劍橋大學(xué)（University of Cambridge）的研究人員共同開(kāi)發(fā)了一個(gè)人工智能（AI）模型，并使用大約4500次測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了訓(xùn)練。這也使人們聯(lián)系到人類(lèi)的感知過(guò)程——人類(lèi)皮膚上的神經(jīng)沖動(dòng)在大腦中被評(píng)估和推斷。
在他們最近的項(xiàng)目中，研究人員成功地將軟體陶瓷傳感器與人造肌肉相結(jié)合。他們與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）和東京大學(xué)（University of Tokyo）的研究人員一起開(kāi)發(fā)了一種生物混合機(jī)器人，該機(jī)器人借助柔軟的、具有生物相容性且與組織集成的壓阻式傳感器來(lái)識(shí)別其收縮狀態(tài)。
人機(jī)之間的安全協(xié)作
Frank Clemens說(shuō)，這樣做的目的是讓人類(lèi)和機(jī)器能夠安全、和諧地協(xié)同工作。他解釋說(shuō)：“如今的機(jī)器人系統(tǒng)體積龐大、笨重，并且‘力量’強(qiáng)大。它們可能會(huì)對(duì)人類(lèi)造成傷害”。如果將來(lái)我們要越來(lái)越多地與機(jī)器人共享工作場(chǎng)所，那么它們應(yīng)該要能對(duì)觸碰做出快速而敏感的反應(yīng)。
Frank Clemens繼續(xù)說(shuō)：“如果人們不小心觸碰到人類(lèi)同伴，他會(huì)自動(dòng)縮回手，我們想賦予機(jī)器人同樣的反射動(dòng)作。”
研究人員目前正在尋找機(jī)器人抓取系統(tǒng)領(lǐng)域的工業(yè)合作伙伴。但軟體陶瓷傳感器在醫(yī)學(xué)上也有需求——該團(tuán)隊(duì)最近與IDUN Technologies完成了一個(gè)瑞士科技創(chuàng)新署（Innosuisse）的項(xiàng)目，在該項(xiàng)目中，他們制造出了用于腦電波測(cè)量的軟體電極。
這項(xiàng)工作遠(yuǎn)未結(jié)束：研究人員希望使他們的軟體陶瓷傳感器變得更加“敏感”和“智能”。這需要將新的陶瓷材料和軟體聚合物相結(jié)合，并優(yōu)化軟體陶瓷傳感器性能。這樣研究的成功秘訣在于這兩種成分之間的相互作用。
延伸閱讀：
《機(jī)器人傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2022版》
《傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2024版》
《觸覺(jué)技術(shù)及市場(chǎng)-2024版》
《印刷和柔性傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2024版》
《3D打印材料技術(shù)及市場(chǎng)-2022版》
《協(xié)作機(jī)器人（Cobot）技術(shù)及市場(chǎng)-2022版》
