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佐治亚理工学院王中林院士AM:自驱动、高度可延展、高灵敏度的摩擦电式接近和压力敏感皮肤实现可主动感知和反应的柔性机器人

佐治亚理工学院王中林院士AM:自驱动、高度可延展、高灵敏度的摩擦电式接近和压力敏感皮肤实现可主动感知和反应的柔性机器人

佐治亚理工学院王中林院士AM:自驱动、高度可延展、高灵敏度的摩擦电式接近和压力敏感皮肤实现可主动感知和反应的柔性机器人

【引言】

未来机器人将从工业、服务、探索、医疗保健等各种层面,对人类的生活产生革命性的影响。当前的智慧机器人的挑战包括:机器人的感知能力、与人类互动的能力、以及行动的自由度等,与刚性相比,灵感来源于生物体的软机器人,具有柔顺和可伸展材料所构建的身体,能够提供更安全的人机互动。再者,柔性机器人像肌肉一般的身体,可以适应不可预测的环境,更能适应多变的环境。这些优点可以拓宽机器人在人-机器、环境-机器的应用。但是,缺乏可以部署在它们身上的电子器件,严重限制了它们的实用性,至今为止,更没有软机器人可以主动感知和响应环境的刺激。

在生物体中,皮肤不仅具有良好的机械属性的保护层(例如柔韧性,拉伸性和柔顺性),而且还能主动感知环境信息(包括触摸,压力,湿度等)。模仿皮肤的电子设备,即电子皮肤,已经显示出促进机器人技术、柔性电子技术、医疗技术进步的希望。然而,因为软机器人连续变形和伸展的身体,开发能够在软机器人上的类皮肤传感器是非常困难的。另外,柔性被动传感器(例如电阻/电容/光学类型)需要连续预先提供大的电压(例如,一般为1-10 V)或光信号,再利用讯号的变化以感测外在信息。在未来大面积、多任务矩阵的感测使用上,将持续消耗功耗,影响其适用性。特别是,容量有限、厚重的刚性电力的来源,是软机器人的另一个问题。

为了开发软机器人的关键皮肤传感装置,有必要寻找其他技术来规避传统传感器的局限性。摩擦电效应是一种自然现象,即由于电负性不同,材料在接触另一种材料后,表面会产生摩擦电荷,进而产生材料表面极化与电场。基于这一原理,摩擦纳米发电机和自驱动传感器被发明作为将机械能转化为电能,以用于能量和传感目的的有效方式。利用摩擦纳米发电机所开发的感测组件具有材料选择性高、自驱动、成本低、适用性广等优点,考虑到柔性机器人的用途,还需要突破模量匹配、压力敏感度、最低感测限度、能够同时感测接触与靠近的能力,以及与气体致动器的兼容等问题。到

 

【文章简介】

近日,在佐治亚理工学院校董教授王中林院士的带领下,赖盈至教授、邓佳楠博士、刘睿远博士等研究员,在国际顶级期刊Advanced Materials上发表题为“Actively Perceiving and ResponsiveSoft Robots Enabled by Self‐Powered, Highly Extensible, and Highly SensitiveTriboelectric Proximity‐ and Pressure‐Sensing Skins”的文章。首次通过自然的摩擦电效应,开发出各种软机器人可以主动感知、响应外部的刺激和内部的运动,能够自由移动、主动感受和响应的软机器人将对未来的机器人科技产生重大的影响。

 可用于软机器人的皮肤,具有三角形微棱镜压感结构的摩擦表面,能够同时具有优异的100%应变拉伸性能,和优异的压力感应能力,其对低压敏感度为0.29 kPa^-1(9.54 V/kPa,<5 kPa),并且最低检测限可达至63 Pa,同时具有优良拉伸性与压力敏感的特征,加上气动执行器的材料模量匹配,,摩擦电式皮肤可以集成到气动执行器中,使软机器人可以执行各种主动感知和响应的任务。

对于有感觉的软夹持器,它可以主动地感测到移动物体时的不同动作,包括接近、抓取、提升、下降、甚至意识到物品脱落的事故。一个可感知的软机器手指可以检测到婴儿的尿布。有意识的软爬行器可以在波动的步态移动中,感知其肌肉运动,并且可用来检测非常微弱的人体生理信号。摩擦电式机器人皮肤能大面积安装于软机器人中,实现同工、同步的感测用途。此外,主动产生的电信号可以直接驱动发光二极管,与人进行直观通信。进一步处理感测讯号,则可以实现更复杂的机器用途,例如用声音、光线、短语与人互动等。可主动感知和响应柔性机器人的可以推动人工智能、软机器人、以及它们广泛的相关应用。

 

【全文解析】

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图1 可变形和机械适应的摩擦电式机器人皮肤。a)结构与制程示意图。b)电极银片的SEM图像(比例尺=1μm)。c)三明治银片电极的横截面SEM图像(比例尺=50μm)。d)三角形微棱镜的正视图和e)俯视SEM图像(比例尺= 0.5mm)。f)摩擦电式机器人皮肤的照片,与演示了不同的机械变形,包括折迭,拉伸和扭曲。g)工作机制图。h)物体接近摩擦电式皮肤的模拟电势分布。i)模拟嵌入式电极的电势,并在物体和摩擦皮肤之间的不同分离距离处产生Voc。j)三角形微棱镜不同变形深度(Δh)下的模拟电位分布。k)埋入电极的模拟电位及其在不同变形深度下受到物体挤压时的输出增加。

 

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图2.性能结果图。a)与物品距离不同所产生的Voc。b, c)分别对不同的接触压力实时产生Voc,Qtr和Isc。e)产生具有不同尺寸三角形微棱镜的器件的Voc到不同压力(H:高度和W:三角形微棱镜的宽度)。f-h)当具有中等尺寸的三角形微棱镜的器件被拉伸时,生成Voc,Qtr和Isc与接触压力结果。i)在装置在50%应变下反复伸长后,Voc与不同的压力的结果。j)在循环施加和卸除20kPa和125Pa所产生的Voc。

 

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图3.摩擦电式皮肤的其他特征。a, b)接触物体(玻璃)不同的加速度下的Voc和Isc。c)产生电压对应于不同等效电阻结果。d)不同接触材料产生的Voc。e)不同含水量的纺织品产生的Voc。f)接触不同含水量的湿纺织品后的摩擦电式皮肤恢复时间。 

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图4有感觉的软机器人手爪和手指能够主动感知工作状态和纺织品潮湿。a)有感觉的软抓的图像。b)带有摩擦皮肤的机器人手爪腹部的图像。c)有感觉的软抓能够在商品移动的每个动作(包含靠近,拿取,提升等)自主感测,并且能够感知商品意外掉落的风险。d)有感觉的软抓握持娃娃的手的图像。e)有感觉的软抓握住玩偶的手时的实时输出。f)有感觉的机器人手指(左)和摩擦电式皮肤(右)的图像。g)检测婴儿娃娃裤子干或湿的图像。h)当娃娃的裤子干燥或潮湿时,有感觉手指的实时输出。

 

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图5 有感觉的机器爬行器。a)有感觉的软机器爬行器的图像。b)有感觉的软机器爬行器腹部的摩擦皮肤图像。c)有感觉的软机器爬行器在一个波动步态期间的实时输出。d)有意识爬行器在连续爬行期间的实时输出。e)有感觉的软机器爬行器侦测脉搏图像。f)人体脉冲的实时输出。

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图6 具有大面积多路传感的机器人爬行器。a)复用感测机器人爬行器的图像。b)复用感测机器人爬行器腹部的图像。c)在波动步态的一个阶段期间,复用感测机器人爬行器的实时输出。d)复用感测机器人爬行器在一个波动步态和被触摸的时段内实时输出。e)移动15厘米距离并被触摸后,复用感测机器人爬行器的实时输出。f)演示通过触摸与人类通过可见通信的LED讯号沟通。g)演示肌肉活动的皮肤输出讯号。h)演示由计算模块处理的与人互动的照片。

摩擦皮肤和软致动器的完美结合使软机器人能够执行各种主动感应和交互式任务,包括主动感知他们的肌肉运动,工作状态,婴儿尿布,甚至微妙的人体生理信号。此外,也证明摩擦电式皮肤的响应讯号,可以驱动光电子器件进行视觉通信,与进行各种复杂的机器响应用途。这项工作为软机器人和人造电子感觉皮肤的潜力打开了关键的大门。

 

Ying-Chih Lai, Jianan Deng, Ruiyuan Liu, Yung-Chi Hsiao, Steven L. Zhang, Wenbo Peng,Hsing-Mei Wu, Xingfu Wang, Zhong Lin Wang, Actively Perceiving and ResponsiveSoft Robots Enabled by Self-Powered, Highly Extensible, and Highly Sensitive Triboelectric Proximity- and Pressure-Sensing Skins, Adv. Mater., DOI:10.1002/adma.201801114

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