一種使用3D打印系統制造具有改進傳感性能的保形觸覺傳感器

觸覺傳感器在仿生機器人假肢的開發中發揮著至關重要的作用，特別是在提供觸覺反饋方面。然而，現有的傳感技術在高壓下的靈敏度和對非平坦工作表面的適應性方面仍然存在不足。此外，觸覺傳感器的制造通常需要復雜且昂貴的制造工藝，限制了其廣泛應用。

據麥姆斯咨詢報道，近日，英國曼徹斯特大學（The University of Manchester）、牛津大學（University of Oxford）、索爾福德大學（University of Salford）和中國吉林大學的研究人員組成的團隊在Communications Engineering期刊上發表了題為“Fully 3D printed flexible, conformal and multi-directional tactile sensor with integrated biomimetic and auxetic structure”的論文，介紹了一種使用自主研發的3D打印系統制造的具有改進傳感性能的保形觸覺傳感器。該傳感器通過集成仿生互鎖和負泊松比（auxetic）結構來檢測剪切刺激。這種設計可擴展傳感范圍（從0.1至0.26?MPa），并在法向和剪切方向上實現高靈敏度，其值分別為0.63?KPa?1和0.92?N?1。

此外，該觸覺傳感器能夠檢測40?90°C范圍內的溫度變化。為了驗證所提出方法的可行性，研究人員將觸覺傳感器直接打印到仿生機器人手的指尖、近端股骨和腰椎上。研究結果表明，所提出的方法有望在人工上肢中實現感覺運動控制和溫度傳感，并能監測軟骨磨損出現的骨摩骨（bone-on-bone）負載。

由121個傳感元件組成的柔性觸覺傳感器陣列的結構和工作原理如圖1所示。該結構包含上下乳突—負泊松比（papilla-auxetic）傳感層，并夾在兩個柔性電極層之間。觸覺元件的傳感面積和分布密度與慢適應I型和快適應I型機械感受器相當，以確保所提出的傳感器的傳感能力與人類受試者的傳感能力相匹配。

圖1 觸覺傳感器的結構和工作原理

一種石墨烯/碳納米管（CNT）/硅橡膠復合材料被用作打印材料以制造所提出的觸覺傳感器。該傳感器是利用自主開發的基于熔融沉積建模概念的3D打印平臺制造的。材料的制備和3D打印制造工藝如圖2所示。

圖2 材料制備和3D打印制造工藝

研究人員將其余文獻中已報道的觸覺傳感器的性能與本論文所提出的觸覺傳感器作了對比，結果如圖3所示。他們還利用標準樣品傳感器評估了所提出的觸覺傳感器的信噪比（SNR）。由于優化了材料成分和結構設計，SNR約為18.7?dB，高于/媲美其余文獻中的壓阻式壓力傳感器。

圖3 不同觸覺傳感器的傳感性能對比

為了展示觸覺傳感器陣列檢測外部刺激大小和方向的能力，研究人員將傳感器直接打印在人體椎骨模型的平臺上，并使用它來監測骨摩骨的接觸，如圖4所示。

圖4 觸覺傳感器在骨摩骨負載監測中的應用

該觸覺傳感器的尺寸和形狀可分別根據傳感區域（從毫米到厘米）和工作表面進行定制。為了展示傳感器的可擴展性和適應性，研究人員在仿生機器人手的食指遠端指骨上打印了一個18 mm × 10 mm的觸覺傳感器，如圖5a-5c所示。圖5d、5e分別展示了仿生手在有和無觸覺反饋情況下的反應控制。實驗結果表明，觸覺傳感器能夠感知拉動物體（即球）引起的剪切刺激，并啟動感覺運動控制以保持穩定的抓握。

圖5 食指指尖打印有觸覺傳感器的仿生手的抓握性能

研究人員對觸覺傳感器在溫度傳感方面的性能作了表征，如圖6所示。

圖6 觸覺傳感器在溫度傳感方面的性能表征

綜上所述，本研究開發了一種基于仿生互鎖和負泊松比結構的全3D打印柔性觸覺傳感器，用于感知接觸壓力和環境溫度。通過使用定制的3D打印機，研究人員將石墨烯/CNT/硅橡膠和涂有銀粉的硅樹脂復合材料直接打印在工作表面上，以高效經濟的方式制造觸覺傳感器。在靈敏度、傳感范圍和線性度方面，其性能與大多數已發布的高性能觸覺傳感器相似。仿生和負泊松比結構的集成是實現壓力和力傳感的高靈敏度和大線性傳感范圍的關鍵因素。復合材料中CNT和石墨烯的優化重量比確保了良好的溫度傳感性能。負泊松比結構的使用提供了獨特的機械性能，可以有效地融入觸覺傳感器的設計中。這種傳感器可以被快速制造到各種工作表面上，包括遠端指骨、人體椎骨和遠端股骨等，從而實現對復雜生物力學接觸的監測。所提出的觸覺傳感器還能為仿生機器人手提供觸覺和溫度反饋，實現出色的感覺運動性能。

審核編輯：劉清