中北大學：觸覺技術“新突破” 機器人“手感”更敏銳

劉娜

觸摸是人類在進行協調交互時的主要方式之一，通過觸摸可以幫助人類評估物體的屬性。與人類一樣，機器人的觸摸傳感能夠幫助機器人理解現實世界中物體的交互行為，這些行為取決于其重量和剛度，取決于觸摸時表面的感覺、接觸時的變形情況以及被推動時的移動方式。只有給機器人也配備先進的觸摸傳感器才能使其意識到周圍的環境，遠離潛在的破壞性影響，并為后續的手部操作等任務提供信息。然而，目前大多數機器人交互式技術系統由于缺乏對觸覺傳感技術的應用，其動作不準確、不穩定，交互過程“笨拙”，極大地限制了他們的交互和認知能力。

隨著機器人科學技術的飛速發展，越來越多的智能機器人被用來代替人類在極端或危險環境中執行任務。作為智能機器人，在賦予機器人以類似人的觸覺感知進行抓取、握持和觸摸等高靈巧操作方面發揮著舉足輕重的作用。前不久，山西省科協“科創中國”技術成果路演專場上，中北大學韓晶教授向嘉賓介紹了高靈敏高分辨率的壓電壓阻復合增強式觸覺傳感技術，突破了中國觸覺傳感器技術瓶頸。

據了解，為了實現智能機器人和可穿戴電子設備的機械傳感感知，通常利用基于壓阻、電容、摩擦電和壓電機制的觸覺傳感器將觸覺信息轉換為電信號。其中，壓電柔性觸覺傳感器在動態力檢測方面具有快速響應的優點，因此被廣泛用于模擬人體皮膚。

“大家看，這款機器人手指上就運用了我們最新的研究成果壓電、壓阻觸覺傳感技術。”機器手在技術人員的操控下，柔軟性和靈動性遠超普通智能機器手。韓教授介紹到，壓電-壓阻雙模態傳感特性的復合水凝膠以交聯的生物質殼聚糖季銨鹽為骨架，以聚（3，4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）為導電填料，聚（偏氟乙烯-co-三氟乙烯）（PVDF-TrFE）為壓電填料。制備的水凝膠基應變傳感器靈敏度高（GF：19.24），線性度較好（0.94），響應快速（響應時間：63.2ms），頻響范圍較寬（響應頻率：5-25Hz），同時具有良好的可拉伸性能（斷裂伸長率：293%）和循環穩定性。

利用壓電-壓阻一體化構建復合水凝膠的方式，能夠實現動、靜態應變響應，獲得靈敏且可靠的壓電信號以及壓阻信號輸出，有望解決多層復合結構存在的制備工藝復雜、層間匹配性不佳等問題。采用復合水凝膠制備的可穿戴應變傳感器展示了在人體運動以及細微活動監測方面的應用潛力。

有趣的是，復合水凝膠附著在指尖和指背形成傳感單元，能精準識別物體的輪廓。復合水凝膠基陣列傳感器也能準確識別不同的按壓位置，未來可進一步應用于恢復殘疾人或老年人的觸覺感知能力等。

該項技術的突破和研究，主要意義在于提供了一種用于可穿戴應變傳感器的壓電-壓阻雙模態復合水凝膠的構建方法。為提高其智能可穿戴應變傳感性能提供可能，在機器人動態觸覺傳感方面顯示出巨大潛力。