清華大學(xué)深圳國際研究院：在微型柔性機器人觸角傳感器領(lǐng)域取得新進展

柔性微型機器人在體積、重量上都遠小于傳統(tǒng)的剛性機器人，可以勝任諸如狹小地形探測、災(zāi)害救援等很多大型機器人難以完成的工作。

但是在觸覺感知能力上，微型機器人由于帶負載能力弱、尺寸小，其通常無法直接搭載商用傳感器和應(yīng)用傳統(tǒng)感知解決方案來獲得感知能力，必須通過與微型機器人的結(jié)構(gòu)與功能相匹配的特殊設(shè)計，定制微型機器人的傳感器。因此如何在微型機器人驅(qū)動力弱、功率密度低、結(jié)構(gòu)尺寸小的限制下實現(xiàn)機器人對外界環(huán)境的觸覺感知，對賦予微型機器人實用化和智能化具有重要意義。

近日，清華大學(xué)深圳國際研究院張旻、王曉浩團隊受自然界中昆蟲觸角的啟發(fā)，提出了一種基于摩擦納米發(fā)電機（TENG）的自供電仿生觸角傳感器（SBA），用于微型機器人的自主環(huán)境感知，輔助微型機器人進行障礙躲避和地形預(yù)判。該仿生觸角主要由感受器、硬質(zhì)導(dǎo)線和執(zhí)行器單元三個部分組成，分別模擬了昆蟲觸角中的機械/接觸化學(xué)感受器、神經(jīng)纖維和肌肉纖維(圖1)，完成接觸感知、信號傳導(dǎo)和驅(qū)動工作。

仿生觸角感受器由銀納米線包覆的多孔彈性體（ACES）為原材料制成，文中探究了ACES的制備工藝、導(dǎo)體性能和摩擦電性能。當(dāng)感受器部分與外界環(huán)境中的物體進行接觸時，與外界物體之間形成單電極式摩擦納米發(fā)電機進行信號輸出，反映感受器與外界環(huán)境的接觸狀態(tài)以及接觸物的材料屬性。執(zhí)行器單元由聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜骨架和形狀記憶合金（SMA）彈簧構(gòu)成，賦予仿生觸角水平方向和豎直方向的運動自由度，使得感受器部分可以進行自主檢測動作，實現(xiàn)主動感知。單個仿生觸角的重量約為70 mg，并在體積和集成性上與微型機器人相匹配。

研究團隊進一步設(shè)計了基于仿生觸角的微型機器人感知系統(tǒng)。通過仿生觸角的水平掃掠運動，微型機器人能夠主動收集墻壁上預(yù)先設(shè)置的“材料指令"，使機器人按照預(yù)先設(shè)定的路線移動。通過仿生觸角的垂直擺動動作，感受器能夠區(qū)分平面、邊緣和斜坡/臺階地形，使微型機器人具有判斷地形通過性的能力，保證微型機器人在復(fù)雜地形行駛的安全性。