對于腿式機器人來說，收集觸覺信息對保持穩定的姿勢和高效的步態至關重要。然而，用于重量不到1公斤的小型機器人的傳感器?，在耐用性、靈活性、靈敏度和尺寸方面仍然是一個挑戰。仿生裂紋觸覺傳感器具有超靈敏、小尺寸和靈活的特性，是一款很有前途的候選傳感器，但由于重復使用導致裂紋增長，進而致使傳感器性能下降是一個絆腳石。

據麥姆斯咨詢報道，近期，韓國亞洲大學（Ajou University）聯合韓國國防發展署（Agency for Defense Development）國防工業技術中心（Defense Industry Technology Center）、美國普渡大學（Purdue University）以及韓國LIG Nex1公司的研究人員在nature期刊上發表了一篇題為“Ultra-stable and tough bioinspired crack-based tactile sensor for small legged robots”的論文，文中提出研究人員使用銀納米線（Ag-NW）網格作為止裂層，通過控制裂紋深度，開發了一款超穩定、超堅韌的仿生裂紋傳感器（ULTIMAC）。

受皮膚膠原蛋白結構啟發而創建的銀納米線網格有效地減緩了裂紋的擴展。該傳感器非常薄、重量輕、靈敏且超耐用，在0.5%應變下，可保持20萬次循環的靈敏度。研究人員通過在仿生機器人上實現觸覺感知來驗證傳感器的可行性，并提出了基于統計和深度學習的分析方法，成功地區分了地形類型。

仿生裂紋觸覺傳感器，適用于小型腿式機器人

圖1：仿生裂紋觸覺傳感器及其應用于機器人的地面傳感概覽

該仿生裂紋觸覺傳感器由四層組成：（1）導電和裂紋起始層（Au和Cr）；（2）裂紋延伸層（固化聚酰亞胺（PI）樹脂）；（3）止裂層（Ag-NW網）和（4）支撐層（聚酰亞胺膜）（圖1a）。該傳感器裂紋的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像如圖1a右上角（插圖）所示。受皮膚膠原蛋白結構的啟發，仿生裂紋觸覺傳感器嵌入了止裂層，大大提高了其耐用性。

受皮膚出色的抗撕裂特性啟發，研究人員設計了該款含有銀納米線的極薄（約10?μm）且輕（約6?mg）的堅韌型傳感器（圖1d）。他們模擬了皮膚的膠原蛋白結構，以控制傳感器中的裂縫深度并提高了其耐用性（圖1e）。銀納米線通過旋涂很容易編織成網狀結構，這使網狀結構具備高縱橫比（約3300）和高強度（約3?GPa）特性（圖1e，插圖）。

此外，通過分析該傳感器信號的峰值高度（PH）和峰間間隔（PP），研究人員可以識別地面坡度、地形類型和地面振動等各種信息（圖1g）。圖1h顯示了當仿生裂紋觸覺傳感器連接到機器人上時，金屬裂紋打開和閉合的電氣響應。當機器人一條腿接觸地面時，產生的地面反作用力（GRF）使另一條腿偏轉，裂縫變寬，傳感器的電阻增加。

裂紋擴展下的疲勞行為及嵌入或不嵌入止裂層時傳感器的特性

圖2：裂紋擴展下的疲勞行為及嵌入或不嵌入銀納米線層時傳感器的特性

圖2c顯示了在0.5%應變下，嵌入和不嵌入銀納米線止裂層的仿生裂紋觸覺傳感器在重復循環中的靈敏度變化。圖2d顯示了在0.5%應變下，進行20萬次循環的“馬拉松式”測試后，嵌入和不嵌入銀納米線層的仿生裂紋觸覺傳感器的SEM橫截面圖像。此外，通過對兩種情況的進一步實驗，研究人員證實了該止裂方法可以應用于其它聚合物/納米線組合。

圖2e~2g顯示了該傳感器在不同應變、再現性、滯后和響應時間下電阻的變化，這可能是基本特征。圖2e顯示了在不同最終應變下，傳感器電阻的循環變化。圖2f為加載到1%應變和卸載到0%應變的五個獨立傳感器的電阻，顯示了傳感器的高再現性和可忽略的滯后性。圖2g為具有銀納米線層的傳感器在0.16 ms內響應振動?。此外，通過在100 Hz ~ 400 Hz的頻率范圍內施加位移加載（0 ~ 0.1 μm），驗證了傳感器的高頻響應特性。

仿生裂紋觸覺傳感器的機械和電氣特性

圖3：具有銀納米線層的仿生裂紋觸覺傳感器的機械和電氣特性

圖3a為銀納米線滲流網格的SEM圖像，該網格自旋涂覆成具有兩種不同密度面的柔性連續網格。圖3b顯示了不同的銀納米線密度下，傳感器在較高應變水平下，拉伸應力的差異。隨著銀納米線層密度的增加，其拉伸強度也增加。研究人員還測量了不同密度銀納米線層的傳感器韌性（拉伸應力-應變曲線上的面積），這表明在引發斷裂之前每體積可以吸收的機械變形能量。該韌性比沒有銀納米線層的傳感器高出2.2倍（45.5 MJ/m3）。

為了評估嵌入的銀納米線層對傳感器靈敏度的整體影響，研究人員根據傳感器上的施加應變和銀納米線密度，通過SEM測量了與傳感器電導直接相關的裂紋間隙位移（圖3c、3d）。結果表明，傳感器上的施加應變和裂紋間隙位移具有正線性關系，隨著銀納米線密度的增加，裂紋尖端上的應力減小，裂紋間隙位移減小。同時還表明，增加銀納米線層的密度可以分散裂紋尖端的集中應力，從而提高仿生裂紋傳感器的耐久性，但同時也會減少裂紋間隙的位移，從而降低傳感器的靈敏度。

仿生裂紋觸覺傳感器的地形感知

圖4：在仿生腿式機器人上安裝仿生裂紋觸覺傳感器，實現地形檢測和步態分析

在測試了仿生裂紋傳感器的各種性能后，研究人員將傳感器連接到一個仿生腿式機器人上進行了試驗。他們使機器人在跑步機上進行了長時間的跑步測試，并收集了大量傳感器數據（圖4c）。機器人總共在四類地形上運行：平坦、上坡、下坡和礫石路面，收集的部分傳感器數據如圖4d所示。研究人員使用Poincaré Plot（非線性分析的一種方法）來可視化機器人步態的整體可變性：更小、更集中的圖表示步態穩定性更高，而更分散的圖則表示步態不穩定。

綜上所述，研究人員通過納米裂紋深度控制的方法，開發了一款輕薄、靈活、響應快且極其敏感的，甚至高度耐用的觸覺傳感器。他們在該傳感器中嵌入了銀納米線網格作為止裂層，以緩解指定裂紋深度下的裂紋擴展。網狀結構的靈感來源于人體皮膚中的膠原纖維網，該網狀物具有顯著的抗撕裂性，柔韌性強。在研究人員的測試中，這種嵌入的銀納米線網格層成功地控制了裂紋的擴展，并保持了傳感器整體的靈敏度，即使在0.5%應變下超過20萬次循環的應變試驗中也很靈敏。

他們通過實驗和有限元法（FEM）模擬確定了銀納米線的密度或嵌入深度與裂紋間隙位移之間的結構變形，這成功地提高了傳感器的疲勞壽命，而不會對傳感器的靈敏度產生不利影響。將仿生裂紋觸覺傳感器集成到小型腳式機器人上，可以提供各種功能，為反饋控制提供關鍵信息。集成的觸覺傳感器可以通過在機器人運行時傳輸到機器人腳部的機械信號來檢測機器人每一步所產生的力。該傳感器還能夠檢測地形類型、道路坡度、施加在機器人上的靜態載荷，甚至地板的振動。

審核編輯：劉清