可拉伸压力传感器助力柔性机器人实现新突破
2021-11-25 17:11:33 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院设计了一款新的压力传感器，在保持同样传感性能的情况下可拉伸至50%。这款压力传感器非常灵敏，可以察觉到一张小纸片的压力，并能瞬间对压力做出响应。
未来，带有先进压力传感器的柔性机械手将用于帮助诊断和护理患者，或者充当更加逼真的人体假肢。
以往，在研制具有类似人体感知能力和灵巧性的柔性机械手时，会存在一个障碍，即压力传感器的可拉伸性不好。尽管集成压力传感器的机械手能够实现抓取物体，甚至能从人类手腕上获取脉搏跳动并进行弯曲或伸展，但在这些行为中，它们的可拉伸性能依然是受限的。
据麦姆斯咨询报道，近期，美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）的研究团队发现了解决上述问题的方法，他们设计了一款新的压力传感器，在保持同样传感性能的情况下可拉伸至50%。这款压力传感器非常灵敏，可以察觉到一张小纸片的压力，并能瞬间对压力做出响应。
由芝加哥大学助理教授王思泓（中）和其博士生QI SU（左）、YANG LI（右）共同开发的可拉伸压力传感器，将助推柔性机器人实现新突破（来源：芝加哥大学）
研究人员将该压力传感器连接到一个柔性机械手上，机械手就能从人类手腕上获取脉冲波形——每次脉搏跳动所产生的动态压力模式。该项研究结果已于11月24日发表在Science Advances期刊上，此外，研究人员还针对该项技术申请了专利。
“这是首款在拉伸的同时，仍能保持高灵敏度和快速响应率的压力传感器。”该研究项目的牵头人、芝加哥大学助理教授王思泓说道，“无论对研究界还是医疗保健行业而言，它都将是一项重要的技术。”
可拉伸压力传感器具有独特的双层设计结构
开发可用于柔性机器人的压力传感器并不容易，因为柔性机器人的拉伸皮肤可能会使压力传感器产生横向应变。这会导致应变信号也被传输进系统，使得难以将压力和应变信号分开单独测量。
王思泓教授的博士生Qi Su带头开发了一款新型双层微结构电极压力传感器。外层由具备导电功能的弹性纳米颗粒浆料和弹性体组成，内层是微锥体结构设计。当压力施加在传感器上时，微锥体会轻微压缩，并与电极相连，电极可传输有关压力水平的信号。
可拉伸压力传感器结构及在应变时的性能情况
可拉伸压力传感器的工作机理及关键组件
外层弹性体材料可使传感器具备特定的弹性，不过研究人员增加了内层微锥体底部的强度，因此即使传感器被拉伸或变形，微锥体也能保持完整。事实上，即使弹性体材料拉伸至50%（人体通常需要的拉伸水平），该传感器仍能保持极高的灵敏度。通过试验，也证实了该传感器的可靠性，在拉伸试验500次之后，其传感能力也未产生任何变化。
可拉伸压力传感器的响应特性
将可拉伸压力传感器集成于机器人
王思泓教授指出，可伸缩压力传感器的应用范围很广，最近新冠疫情（COVID-19）大流行，许多被困在家中的人只能通过虚拟远程医疗与医生沟通，无法获得切实有效的诊断或治疗护理，这也印证了该技术的有着迫切的应用需求。
未来，通过机器人便可提供这种诊疗服务。王思泓教授和他的团队在一只柔性机械手上做了测试，通过该压力传感器，机械手能够握住人类的手腕并将脉冲波形记录下来。此类机器人还可以借助压力传感器，将可控的按摩压力施加到人类身体部位，为患者提供物理治疗。
此外，该压力传感器还可以充当假肢的电子皮肤。例如，柔性机器人的假肢通过该压力传感器，将能够感知手指捡起物体时所受到的压力。
可拉伸压力传感器应用于电子皮肤和柔性机器人
王思泓教授和他的团队正在努力为机械手安装多个压力传感器，以将它们扩展到多个手指，并增加可以感知纹理的新型传感器。同时，他们也正在开展新的合作设计项目，以推动该技术面向未来更广泛的人体假肢应用。
该项目获得芝加哥大学、美国海军研究办公室、美国科学基金会和美国能源部的资金支持。
论文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.abi4563
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