一种用于机械手的3D打印可穿戴应变与触觉传感器阵列

供稿人：闫万权、田小永 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　

随着柔性电子技术的快速发展，其应用领域不断拓宽，尤其是机器人感知领域对柔性应变传感器和压力传感器的需求量很大。相比于电容式、压电式传感器，压阻式柔性传感器具有结构紧凑，信号易处理，可同时检测静态与动态信号等优点，因此非常适合集成以实现机械手的自我感知。然而，柔性应变/压力传感器常用的制造方法例如转印、蚀刻、沉积等，对于表面或材料存在诸多限制。相比之下，3D 打印技术的出现使得复杂结构的高速高精度制造成为了可能。为此，太原理工大学的科研团队使用DLP光固化3D打印技术，制造出具有多孔结构压阻式柔性应变与压力传感器，并将其布置于机械手上组成传感阵列，成功实现了机械手的抓握感知。

研究人员通过DLP打印技术制备出柔性多孔结构基体，并将其置于石墨烯悬浮液中，使得多孔结构表面被石墨烯纳米片层均匀包裹，并形成导电通路，如图1所示。其中二维多孔结构用于制备柔性应变传感器，三维多孔结构用于制备柔性压力传感器。

图1 多孔结构应变/压力传感器的制备流程及其阵列布置

该传感器的工作机制是基于电子的隧穿效应。微观层面上，石墨烯片层存在完全接触、可实现电子隧穿的近距离靠近与远距离断路三种状态。由于柔性基体的变形，三种状态的比例发生变化,如图2(c)所示，则表现出宏观上的电阻变化。当多孔结构产生拉伸或压缩变形时，孔的边以及转角的变形均会对石墨烯片层的状态产生影响，但由于单个孔中四个内角的压缩角等于拉伸角，因此内角变化引起的电阻变化相互抵消，整体电阻变化均来源于四边的电阻变化，如图2(d)(e)所示。

图2 传感原理：(a-b)单胞结构的拉伸/压缩仿真(c)石墨烯状态转变(d-e)拉伸/压缩状态下的阻值变化

研究人员对于不同单胞形状（圆形、六边形、方形）的多孔结构进行了系统的性能对比，最终确定选择检测范围最大的方孔结构作为应变传感器，选择电阻信号连续变化的六边形孔结构作为压力传感器，并分别将其布置于机械手关节处与手指内侧，实现了机械手的抓握感知，如图3所示。在未来的机器人领域，该3D打印柔性传感器阵列设计将具有广阔的应用前景与巨大的开发潜力。

图3 机械手抓握感知：(a)实验所使用机械手 (b-d)压力传感器布置于接触感知 (e-f)应变传感器对手指弯曲程度感知

参考文献：

Pei, Q Zhang, K Yang, et al. A Fully 3D-Printed Wearable Piezoresistive Strain and Tactile Sensing Array for Robot Hand[J]. Adv. Mater. Technol. 2021, 6, 2100038.