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浙大趙朋/張承謙課題組 Adv. Mater.：三軸解耦磁-力感知功能器件
2024-01-22  來(lái)源：高分子科技

  生物進(jìn)化產(chǎn)生了具有多種感知功能的感覺(jué)器官，使其能夠感知環(huán)境信息和追捕獵物，從而提高在各種環(huán)境下的生存能力。其中，對(duì)多維度機(jī)械力的觸覺(jué)感知能力使人類等動(dòng)物可以完成復(fù)雜的操作任務(wù)，因此，各種各樣的仿生觸覺(jué)傳感器在柔性電子、人機(jī)交互和人工智能等領(lǐng)域得到應(yīng)用。近年來(lái)，基于磁場(chǎng)的觸覺(jué)傳感器僅靠單傳感器就實(shí)現(xiàn)了多維度力感知，其發(fā)展?jié)摿Φ玫搅藦V泛關(guān)注，但現(xiàn)有研究也只能實(shí)現(xiàn)二維解耦感知或者是依靠大量的標(biāo)定和機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)三維力感知，裝配過(guò)程中的微小偏移即會(huì)失效，限制了磁觸覺(jué)傳感器的應(yīng)用拓展。



  針對(duì)上述問(wèn)題，浙江大學(xué)趙朋教授/張承謙博士課題組報(bào)道了一種具有三維力解耦感知能力的磁觸覺(jué)傳感器。通過(guò)建立三維力-磁場(chǎng)解耦理論模型，開(kāi)發(fā)了高穩(wěn)定的柔性磁體向心磁化設(shè)計(jì)與折疊充磁方法，使得該磁觸覺(jué)傳感器僅依靠單霍爾傳感器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸力的解耦感知。該工作還充分利用磁場(chǎng)無(wú)線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行了分體式設(shè)計(jì)，并開(kāi)展了水下流速感知的拓展應(yīng)用，展示了在封閉或者密封性要求極高的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)感知的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。相關(guān)研究成果以“Split-type magnetic soft tactile sensor with three-dimensional force decoupling”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上并入選了當(dāng)期彩頁(yè)推薦（Frontispiece），浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院趙朋教授和交叉力學(xué)中心張承謙博士為論文共同通訊作者，碩士生戴煌哲和張承謙博士為論文共同第一作者，論文作者團(tuán)隊(duì)成員均來(lái)自浙江大學(xué)流體動(dòng)力基礎(chǔ)件與機(jī)電系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。


  本文傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖1a所示，與皮膚和魚類側(cè)線的分層結(jié)構(gòu)一致，磁觸覺(jué)傳感器也分為磁膜、柔性層和霍爾傳感器三層。具有向心磁化設(shè)計(jì)的磁膜是傳感器的關(guān)鍵組成部分，也是實(shí)現(xiàn)三維解耦的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，由釹鐵硼（NdFeB）硬磁顆粒和彈性體基質(zhì)組成（圖1b），通過(guò)折疊成箭簇狀在線圈中實(shí)現(xiàn)向心磁化，其下方的磁場(chǎng)分布（圖1c和d）可與所提出的三維解耦理論結(jié)果保持一致。磁場(chǎng)三維結(jié)構(gòu)理論模型在文章補(bǔ)充材料中有詳細(xì)論述。最終傳感器可以實(shí)現(xiàn)如圖1e所示的三維力解耦精確感知。 


圖1 傳感器的基本結(jié)構(gòu)和功能


  傳感器的解耦原理與具有不同剛度基底的傳感器的標(biāo)定結(jié)果如圖2所示，傳感器所產(chǎn)生的三維磁場(chǎng)信號(hào)通過(guò)解耦模型解耦為三個(gè)解耦參數(shù)Rx、Ry和Sz，每個(gè)解耦參數(shù)僅隨其所在軸的磁膜位移變化而產(chǎn)生變化，不受磁膜其他軸位移的影響因此相互獨(dú)立，例如解耦參數(shù)Rx僅隨磁膜的x軸位移變化而變化，磁膜的y軸位移和z軸位移不影響Rx值的大小。所以三軸解耦參數(shù)分別與磁膜三軸位移獨(dú)立相關(guān)，也即與傳感器所受三軸力獨(dú)立相關(guān)。在進(jìn)行基底的力-位移標(biāo)定（圖2g、h、i）后，傳感器即可實(shí)現(xiàn)三維力的解耦感知，如視頻1所示，三維力解耦感知能力媲美商用的多傳感單元集成的三維傳感器。 


圖2 傳感器解耦原理與不同基底的磁-力標(biāo)定


  團(tuán)隊(duì)將傳感器集成在二指機(jī)械手上（圖3c和d），通過(guò)感知抓握對(duì)象帶來(lái)的剪切力來(lái)調(diào)整機(jī)械手抓握力的大小，從而使機(jī)械手可以自適應(yīng)抓握質(zhì)量變化的物體或者自適應(yīng)外界的干擾力，抓握力在不至于太小使物體滑落的同時(shí)抓握力不至于太大損傷抓握對(duì)象，展示了三軸力感知在自適應(yīng)抓握方面的應(yīng)用。另外，團(tuán)隊(duì)也嘗試了人機(jī)接口的應(yīng)用（圖3e和f），將傳感器作為可以感知三維力的線性搖桿，將手指的作用力實(shí)時(shí)映射為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和機(jī)械臂的動(dòng)作，遙控機(jī)器人實(shí)現(xiàn)物體搬運(yùn)的任務(wù)。 


圖3 自適應(yīng)抓握與搖桿操控應(yīng)用


  磁觸覺(jué)傳感器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其磁場(chǎng)信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一特點(diǎn)拓展了傳感器的應(yīng)用范圍，將其用于封閉環(huán)境和水下流場(chǎng)信息的感知。如圖4a和b所示，仿照魚類側(cè)線的基本結(jié)構(gòu)特化了傳感器的剪切感知能力（約38倍），在優(yōu)化柵格結(jié)構(gòu)后（圖4c）實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)的流速測(cè)量（圖4d和e）。 


圖4 剪切感知特化實(shí)現(xiàn)流速感知


  最后，團(tuán)隊(duì)將傳感器分體式集成在小船底部，無(wú)需任何穿孔引線的步驟，將傳感器的流速感知能力和三維地磁場(chǎng)的感知能力結(jié)合，實(shí)現(xiàn)船只運(yùn)動(dòng)位移和方向的感知計(jì)算（圖5）。遙控小船在水中按“ZJU”的路線移動(dòng)，根據(jù)傳感器的信號(hào)即可計(jì)算得到小船的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)小船在一定空間范圍內(nèi)的“導(dǎo)航”。 


圖5 流速測(cè)量的導(dǎo)航應(yīng)用


  綜上，該論文報(bào)道了一種具有三維力解耦感知能力的磁觸覺(jué)傳感器，通過(guò)建立三維解耦理論模型、開(kāi)發(fā)向心充磁方式實(shí)現(xiàn)了三軸解耦的力觸覺(jué)感知，并利用磁傳感無(wú)線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)實(shí)現(xiàn)傳感器的分體式流速感知與導(dǎo)航應(yīng)用。該傳感方案使觸覺(jué)傳感器具有媲美人類皮膚的感知維度，解耦方法使得即使磁體在裝配過(guò)程中發(fā)生偏移依舊無(wú)需對(duì)傳感器進(jìn)行重新標(biāo)定，大大提高其批量生產(chǎn)與應(yīng)用的能力，而且，充分展示了其在機(jī)器人仿人觸覺(jué)感知、人機(jī)交互等領(lǐng)域以及深海極端環(huán)境下流場(chǎng)感知的應(yīng)用潛力。


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于磁性功能器件設(shè)計(jì)與成形制造相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一，得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、浙江省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的大力支持。近年來(lái)，磁功能器件因其響應(yīng)快、無(wú)線傳輸?shù)奶匦允艿搅藦V泛關(guān)注，團(tuán)隊(duì)采用折紙工藝制備了柔性磁驅(qū)動(dòng)功能器件（Nano Energy, 2021, 89, 106424.），實(shí)現(xiàn)了二維結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)的形態(tài)轉(zhuǎn)變以及單功能向多功能的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變。隨后，團(tuán)隊(duì)利用磁化設(shè)計(jì)方法結(jié)合空間磁場(chǎng)分布建模，制備了大面積柔性觸覺(jué)功能器件(ACS Nano, 2022, 16 (11), 19271-19280.)，依靠單磁傳感器實(shí)現(xiàn)了大面積力-位置感知。團(tuán)隊(duì)在磁場(chǎng)輔助增材制造磁功能器件方面的工作（Adv. Funct. Mater., 2021, 31 (34), 2102777、Mater. Design, 2023, 112588.）也為后續(xù)高性能磁功能器件的形性一體化制造奠定了良好基礎(chǔ)。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202310145


  課題組網(wǎng)站：https://person.zju.edu.cn/pengzhao

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（責(zé)任編輯：xu）
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