清華新聞網(wǎng)7月11日電 柔性微型機(jī)器人在體積、重量上都遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人，可以勝任諸如狹小地形探測(cè)、災(zāi)害救援等很多大型機(jī)器人難以完成的工作。但是在觸覺(jué)感知能力上，微型機(jī)器人由于帶負(fù)載能力弱、尺寸小，其通常無(wú)法直接搭載商用傳感器和應(yīng)用傳統(tǒng)感知解決方案來(lái)獲得感知能力，必須通過(guò)與微型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與功能相匹配的特殊設(shè)計(jì)，定制微型機(jī)器人的傳感器。因此如何在微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力弱、功率密度低、結(jié)構(gòu)尺寸小的限制下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境的觸覺(jué)感知，對(duì)賦予微型機(jī)器人實(shí)用化和智能化具有重要意義。
圖1.（a）昆蟲觸角系統(tǒng)的解剖示意圖；（b）安裝仿生觸角的微型機(jī)器人；（c）仿生觸角感受器的傳感原理；（d）仿生觸角在機(jī)器人主動(dòng)感知中的應(yīng)用示意圖
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究院張旻、王曉浩團(tuán)隊(duì)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(jī)（TENG）的自供電仿生觸角傳感器（SBA），用于微型機(jī)器人的自主環(huán)境感知，輔助微型機(jī)器人進(jìn)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(gè)部分組成，分別模擬了昆蟲觸角中的機(jī)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(hào)傳導(dǎo)和驅(qū)動(dòng)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(jìn)行接觸時(shí)，與外界物體之間形成單電極式摩擦納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行信號(hào)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(duì)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(yùn)動(dòng)自由度，使得感受器部分可以進(jìn)行自主檢測(cè)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)感知。單個(gè)仿生觸角的重量約為70mg，并在體積和集成性上與微型機(jī)器人相匹配。
圖2.基于仿生觸角的微型機(jī)器人感知系統(tǒng)
圖3.（a）仿生觸角在水平面上的主動(dòng)感知（在避障過(guò)程中，機(jī)器人通過(guò)讀取墻壁上預(yù)設(shè)的材料指令完成預(yù)設(shè)路線的行進(jìn)）；（b）不同接觸材料對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓信號(hào)
圖4.（a）仿生觸角在豎直面上的主動(dòng)感知；（b）不同地形對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓信號(hào)輸出
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)了基于仿生觸角的微型機(jī)器人感知系統(tǒng)（圖2）。通過(guò)仿生觸角的水平掃掠運(yùn)動(dòng)，微型機(jī)器人能夠主動(dòng)收集墻壁上預(yù)先設(shè)置的“材料指令”，使機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)定的路線移動(dòng)（圖3）。通過(guò)仿生觸角的垂直擺動(dòng)動(dòng)作，感受器能夠區(qū)分平面、邊緣和斜坡/臺(tái)階地形，使微型機(jī)器人具有判斷地形通過(guò)性的能力，保證微型機(jī)器人在復(fù)雜地形行駛的安全性（圖4）。
相關(guān)成果以“用于微型機(jī)器人觸覺(jué)感知的摩擦納米發(fā)電機(jī)自供電仿生觸角”（Self-Powered Bionic Antenna based on Triboelectric Nanogenerator for Micro-Robotic Tactile Sensing）為題發(fā)表于《納米·能源》（Nano Energy）上。論文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院張旻副研究員，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)碩士研究生朱德寬。
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https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108644
