在本研究中，作者受自然皮膚感知能力的啟發(fā)，提出了一種新型的內(nèi)在柔性機(jī)器人傳感器，其四重感知功能集成于單一設(shè)備中，包括空間接近感知、熱接近感知、熱觸覺感知和機(jī)械力感知。憑借這種多功能性，機(jī)械和熱刺激均可通過接觸和非接觸模式得到良好解析。所制造的傳感器具有良好的柔韌性和內(nèi)在柔軟性，使其能夠符合復(fù)雜的三維曲面。更重要的是，所有機(jī)器人傳感器的材料均可完全回收再利用，以構(gòu)建新一批傳感器，顯著緩解了資源消耗問題及電子廢物帶來的環(huán)境危害。作為概念驗(yàn)證示范，通過將機(jī)器人傳感器集成到柔性抓手和機(jī)器人手臂上，構(gòu)建了一個閉環(huán)且可靠的人機(jī)交互系統(tǒng)。通過利用四重感知功能，成功展示了多種可靠的人機(jī)交互場景（例如，人機(jī)交互、物體感知與分類、床邊臨床護(hù)理等）。本研究為全面的機(jī)器人感知提供了一個可行且多樣化的平臺。

圖文簡介

圖1. 機(jī)器人傳感器的設(shè)計(jì)理念及典型響應(yīng)特性。(a) 具備四重感知功能的機(jī)器人傳感器的設(shè)計(jì)理念與結(jié)構(gòu)布局，用于實(shí)現(xiàn)可靠的人機(jī)交互。(i) 示意圖展示具有多樣感受受體的天然皮膚的感知能力，用于物體感知與操作。 (ii) 機(jī)器人傳感器的組成與結(jié)構(gòu)布局。 (iii) 機(jī)器人傳感器的四重感知功能，包括熱接近感知、熱觸感知、空間接近感知和機(jī)械力感知。(b) 示意圖展示連續(xù)的熱接近與熱觸感知過程及其典型響應(yīng)行為。 (c) 示意圖展示連續(xù)的空間接近與機(jī)械力感知過程及其典型響應(yīng)行為。 (d) 數(shù)字圖片展示所制備的機(jī)器人傳感器的柔韌性與柔軟性。 (e) 示意圖說明機(jī)器人傳感器的可回收性。

圖2. 軟體機(jī)器人傳感器的制備與表征。(a) 示意圖，展示軟體機(jī)器人傳感器的三維結(jié)構(gòu)布局及其二維截面視圖。(b) 軟體機(jī)器人傳感器的實(shí)物照片。(c) 軟體機(jī)器人傳感器中關(guān)鍵組分（即聚乙烯醇PVA、離子液體IL和熱塑性聚氨酯ES-PU）的分子組成與結(jié)構(gòu)。(d, e) 自合成的ES-PU材料的傅里葉變換紅外光譜（FTIR）及凝膠滲透色譜（GPC）譜圖。(f) 光學(xué)顯微鏡圖像，顯示軟體機(jī)器人傳感器的橫截面形貌。(g) 光學(xué)顯微鏡圖像，展示微結(jié)構(gòu)導(dǎo)電層頂部工程化金字塔圖案。(h, i) TPU層、ES-PU層及PVA/IL層的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與楊氏模量，采用常規(guī)的PET和PI薄膜作為對比。(j, k) 數(shù)字照片，展示與三維彎曲及動態(tài)變化的軟抓手相貼合的軟體機(jī)器人傳感器。

圖3. 機(jī)器人傳感器的感知機(jī)制及性能特征。(a) 示意圖展示了基于熱輻射效應(yīng)的熱感知機(jī)制。 (b, c) 傳感器對接近冷物體（0 °C）和熱物體（65 °C）的響應(yīng)行為及標(biāo)定曲線。 (d) 傳感器對從遠(yuǎn)處逐漸接近并移開溫暖手掌（距離傳感器1厘米）的響應(yīng)行為。 (e) 示意圖展示了基于熱傳導(dǎo)效應(yīng)的熱觸覺感知機(jī)制。 (f) 傳感器與不同溫度物體接觸時(shí)的標(biāo)定曲線。 (g) 傳感器在熱觸覺感知中的最低溫度檢測分辨率。 (h) 傳感器對不同穩(wěn)定環(huán)境溫度的響應(yīng)信號。 (i) 示意圖展示了基于電場耦合效應(yīng)的空間接近感知機(jī)制。 (j) 傳感器在手逐漸接近后又移開的響應(yīng)行為。 (k) 傳感器的空間接近感知標(biāo)定曲線。 (l) 傳感器在不同距離下手部反復(fù)接近時(shí)的信號變化。 (m) 示意圖展示了基于電容參數(shù)調(diào)制的機(jī)械力感知機(jī)制。 (n) 傳感器的機(jī)械力感知標(biāo)定曲線。 (o) 傳感器對不同大小穩(wěn)定機(jī)械力的響應(yīng)行為。 (p) 傳感器在5000次加載-卸載測試中的重復(fù)性和可靠性。

圖4. 機(jī)器人傳感器在與人體碰撞預(yù)警及人工智能輔助物體識別中的應(yīng)用。(a) 示意圖，顯示集成機(jī)器人傳感器的可編程機(jī)器人臂系統(tǒng)，用于人機(jī)交互（HRI）。(b) 展示傳感器集成在夾持器指端（用于物體操作監(jiān)測）和夾持器底座（用于危險(xiǎn)碰撞預(yù)警）上的情況。(c) 當(dāng)人手逐漸接近機(jī)器人臂并在臨界距離1厘米處停止時(shí)，傳感器的響應(yīng)信號。(d) 軟夾持器在抓取、夾持及釋放黃瓜過程中的傳感器響應(yīng)行為。(e)用于物體識別的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）模型結(jié)構(gòu)示意圖。(f) 用于測試的20個不同日常物體的數(shù)字圖片。(g) 顯示20個物體識別準(zhǔn)確率的混淆矩陣。

圖5. 機(jī)器人傳感器在熱接近感知、熱觸覺感知和人機(jī)交互系統(tǒng)反饋控制中的應(yīng)用。(a, b) 示意圖和框圖展示了閉環(huán)控制機(jī)器人系統(tǒng)的主要組成部分和工作原理，包括傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸、傳感器數(shù)據(jù)處理與可視化、機(jī)器人臂運(yùn)動的閉環(huán)控制以及氣動夾具的閉環(huán)控制功能。(c) 六個不同溫度（?40、0、25、50、75、100 °C）的水杯的光學(xué)和紅外圖像。(d) 照片顯示軟夾具以最小距離1厘米接近物體進(jìn)行熱接近感知。(e) 在接近六個不同溫度水杯時(shí)傳感器的響應(yīng)信號。具有特定危險(xiǎn)溫度的物體（?40 °C在深藍(lán)區(qū)域和100 °C在深橙區(qū)域）可以被識別，軟夾具在后續(xù)過程中不會抓取這些危險(xiǎn)物體。(f) 照片顯示軟夾具抓取目標(biāo)物體。(g–j) 在重復(fù)抓取四個安全溫度物體（0、25、50和75 °C）50次時(shí)的傳感器響應(yīng)信號。(k) 示意圖展示機(jī)器人系統(tǒng)在床邊臨床護(hù)理中的潛在應(yīng)用場景。(l, m) 照片顯示配備作者傳感器的機(jī)器人系統(tǒng)，從四個不同溫度的水杯中識別并取用適合患者的水（例如，25 °C）。

圖6. 機(jī)器人傳感器的回收過程。(a) 示意圖展示了基于環(huán)保方法的機(jī)器人傳感器的完整回收過程。(b) 數(shù)字圖片展示了來自傳感器的回收產(chǎn)品，包括ES-PU乙醇溶液、PVA/IL水溶液、銀漿碎片和TPU基材。這些回收產(chǎn)品可以再利用于重構(gòu)新一批機(jī)器人傳感器。

來源：未來傳感技術(shù)