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可拉伸压力传感器助力柔性机器人实现新突破

时间:2021-12-01 10:57  来源:未知   作者:admin   点击:

  未来,带有先进压力传感器的柔性机械手将用于帮助诊断和护理患者,或者充当更加逼真的人体假肢。

  以往,在研制具有类似人体感知能力和灵巧性的柔性机械手时,会存在一个障碍,即压力传感器的可拉伸性不好。尽管集成压力传感器的机械手能够实现抓取物体,甚至能从人类手腕上获取脉搏跳动并进行弯曲或伸展,但在这些行为中,它们的可拉伸性能依然是受限的。

  据麦姆斯咨询报道,近期,美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME)的研究团队发现了解决上述问题的方法,他们设计了一款新的压力传感器,在保持同样传感性能的情况下可拉伸至50%。这款压力传感器非常灵敏,可以察觉到一张小纸片的压力,并能瞬间对压力做出响应。

  由芝加哥大学助理教授王思泓(中)和其博士生QI SU(左)、YANG LI(右)共同开发的可拉伸压力传感器,将助推柔性机器人应用实现新突破(来源:芝加哥大学)

  研究人员将该压力传感器连接到一个柔性机械手上,机械手就能从人类手腕上获取脉冲波形——每次脉搏跳动所产生的动态压力模式。该项研究结果已于11月24日发表在 Science Advances 期刊上,此外,研究人员还针对该项技术申请了专利。

  “这是首款在拉伸的同时,仍能保持高灵敏度和快速响应率的压力传感器。”该研究项目的牵头人、芝加哥大学助理教授王思泓说道,“无论对研究界还是医疗保健行业而言,它都将是一项重要的技术。”

  开发可用于柔性机器人的压力传感器并不容易,因为柔性机器人的拉伸皮肤可能会使压力传感器产生横向应变。这会导致应变信号也被传输进系统,使得难以将压力和应变信号分开单独测量。

  王思泓教授的博士生Qi Su带头开发了一款新型双层微结构电极压力传感器。外层由具备导电功能的弹性纳米颗粒浆料和弹性体组成,内层是微锥体结构设计。当压力施加在传感器上时,微锥体会轻微压缩,并与电极相连,电极可传输有关压力水平的信号。

  外层弹性体材料可使传感器具备特定的弹性,不过研究人员增加了内层微锥体底部的强度,因此即使传感器被拉伸或变形,微锥体也能保持完整。事实上,即使弹性体材料拉伸至50%(人体通常需要的拉伸水平),该传感器仍能保持极高的灵敏度。通过试验,也证实了该传感器的可靠性,在拉伸试验500次之后,其传感能力也未产生任何变化。

  王思泓教授指出,可伸缩压力传感器的应用范围很广,最近新冠疫情(COVID-19)大流行,许多被困在家中的人只能通过虚拟远程医疗与医生沟通,无法获得切实有效的诊断或治疗护理,这也印证了该技术的有着迫切的应用需求。

  未来,通过机器人便可提供这种诊疗服务。王思泓教授和他的团队在一只柔性机械手上做了测试,通过该压力传感器,机械手能够握住人类的手腕并将脉冲波形记录下来。此类机器人还可以借助压力传感器,将可控的按摩压力施加到人类身体部位,为患者提供物理治疗。

  此外,该压力传感器还可以充当假肢的电子皮肤。例如,柔性机器人的假肢通过该压力传感器,将能够感知手指捡起物体时所受到的压力。

  王思泓教授和他的团队正在努力为机械手安装多个压力传感器,以将它们扩展到多个手指,并增加可以感知纹理的新型传感器。同时,他们也正在开展新的合作设计项目,以推动该技术面向未来更广泛的人体假肢应用。

  该项目获得芝加哥大学、美国海军研究办公室、美国科学基金会和美国能源部的资金支持。