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大連海事大學宋永欣教授團隊 AFM：深海靜壓自平衡、自驅(qū)動式柔性觸壓傳感器用于物體自主抓取
2024-03-04  來源：高分子科技

  柔性水下觸覺傳感器可隨機械手靈活彎曲，和剛性機械手構(gòu)成“剛?cè)岵?/span>”的類人結(jié)構(gòu)，因此能夠 “類人化”感知目標物的表面紋理、模量、形狀等多維物理信息，是保障無人水下機器人作業(yè)自主作業(yè)的關(guān)鍵器件之一。根據(jù)信號產(chǎn)生的機理，柔性水下傳感器可分為外供電和自驅(qū)動兩種類型，具有靈敏度高、可拉伸性強、檢測范圍廣和響應(yīng)速度快等優(yōu)勢。然而，由外部電源供電的水下柔性傳感器在高靜水壓環(huán)境下會因密封性差、結(jié)構(gòu)失效和功能退化等問題而嚴重阻礙了其在深海中的應(yīng)用。目前，在深水物體抓取領(lǐng)域中，耐高壓、耐浸泡、高靈敏度和高載荷檢測的柔性自驅(qū)動水下觸壓定位傳感器的開發(fā)仍是一個挑戰(zhàn)。


  基于此，大連海事大學宋永欣教授團隊報道了一種新型的基于多孔TPU（熱塑性聚氨酯彈性體，Thermoplastic Polyurethane）薄膜的自驅(qū)動水下觸壓定位傳感器，該傳感器以金屬薄膜作為電極，多孔的TPU薄膜作為傳感器主體。該傳感器利用不同電性的離子在多孔薄膜中的移動速度差從而產(chǎn)生離子電流的原理，實現(xiàn)了在高靜水壓下的觸壓定位。實驗結(jié)果表明，電流信號的大小隨施加壓力、接觸面積和溶液離子濃度的增大而增大，電流信號的方向和大小取決于壓在薄膜上的位置，電流信號的強度隨距離薄膜中心越近而減小，最大壓力靈敏度和定位分辨率分別為0.62 kPa-1 和1.31 mm，響應(yīng)時間和恢復時間分別為0.19s和0.67s，壓力檢測范圍為50-600 kPa，當傳感器放置在水下100m的模擬深度時，觸壓信號幅值僅下降了15.53%，此外，經(jīng)過NaCl溶液中浸泡6個月以及進行超過1500次工作循環(huán)，傳感器仍能夠可靠的工作。這項工作為開發(fā)面向深海應(yīng)用的柔性水下觸覺傳感器及其物體自主抓取提供了新思路。相關(guān)工作以“Self-Powered Underwater Pressing and Position Sensing and Autonomous Object Grasping with a Porous Thermoplastic Polyurethane Film Sensor”為題發(fā)表在最新一期國際學術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》上，文章第一作者為王全玉博士，通訊作者為大連海事大學宋永欣教授和加拿大滑鐵盧大學李冬青教授，該研究得到國家自然科學基金的支持。 



圖1. 柔性自驅(qū)動水下多孔TPU薄膜觸壓和定位傳感器的試驗系統(tǒng)、工作原理圖和試驗裝置圖


  多孔TPU薄膜內(nèi)部存在復雜的連通孔，且孔間存在納米尺度的間距，當不同尺寸的離子通過孔時，離子在壓力的驅(qū)動作用下因尺寸不同導致的離子移動速度不同形成了離子濃度梯度，進而產(chǎn)生了離子電流。 



圖2. 標注按壓區(qū)域P1-P6（a）和電流信號隨按壓位置的變化趨勢（b） 



圖3. 模擬深海觸壓試驗系統(tǒng)（a）和電流信號隨靜水壓（深度）變化曲線（b和c） 



圖4. 浸泡10天/6個月的多孔TPU薄膜傳感器性能比較（a）和在600kPa高載荷超過1500次的循環(huán)耐久性試驗（b）


  基于模擬深海高壓試驗艙設(shè)備，試驗得到了電流信號與靜水壓之間的關(guān)系曲線，試驗結(jié)果表明，電流幅值隨靜水壓的增加而減小，電流幅值衰減率為15.53%，其影響可忽略不計。同時，通過實驗可知，在靜水壓為1 MPa（水深100m）時，該多孔TPU薄膜傳感器仍然具備傳感和定位能力。對比了浸泡10天和6個月的多孔TPU薄膜傳感器的性能，試驗結(jié)果表明，傳感器的電流幅值由浸泡10天的32.45nA降低到浸泡6個月的31nA，電流幅值僅降低了4.5%，且在600kPa高載荷循環(huán)按壓超過1500次，傳感器性能沒有降低。 




圖5. 多孔TPU薄膜傳感器在水下自主抓取中的應(yīng)用


  多孔TPU薄膜傳感器實現(xiàn)了在水下對不同重量的物體的自主抓取，當抓取較輕的物體時，物體和機械手之間無相對滑動，輕物被成功抓；當抓取較重的物體時，若機械手和物體之間發(fā)生相對滑動，當檢測到滑動信號后，機械手會再次抓緊物體，最終重物被成功抓取。


  論文信息：Self-Powered Underwater Pressing and Position Sensing and Autonomous Object Grasping with a Porous Thermoplastic Polyurethane Film Sensor, Advanced Functional Materials, 2024, 2315648. DOI: 10.1002/adfm.202315648.

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202315648

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（責任編輯：xu）
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