在現代機器人技術中，如何感知和操控柔軟、易碎的物體（如生物組織、易碎食物及柔性電子器件）一直是一個巨大挑戰。現有的基于視覺的觸覺機器人主要集中在剛性物體的感知與操作，但在應對柔軟或脆弱物體時，往往難以實現精確判斷與解析。近日，密歇根州立（MSU）林少挺研究團隊在《Advanced Materials》上發表了一篇題為《Fatigue-Resistant Mechanoresponsive Color-Changing Hydrogels for Vision-Based Tactile Robots》的文章，創新性地利用了具有優越抗疲勞特性的力致變色水凝膠，設計了一種低成本、壽命長的基于視覺的觸覺傳感器。該傳感器能夠將接觸表面的應力直接轉化為可識別的圖像，從而感知材料硬度、物體形狀、空間位置及施加的壓力。這一突破有望填補機器人觸覺感知與人類觸覺感知之間的根本差距，推動觸覺機器人技術邁向新高度。密歇根州立大學林少挺教授為通訊作者，博士生劉佳斌為文章的第一作者。文章的其他作者包括普渡大學Yu She教授和石溪大學Wei Li教授。

如圖一所示，抗疲勞力致變色水凝膠（FMCH）由高纏結的聚合物網絡和適量的吸濕鹽組成，能夠在偏振光下呈現出可逆、穩定且可預測的顏色變化。FMCH展現出優越的機械性能，其拉伸性達到原長的6倍，斷裂韌性高達3,000 J/m2，疲勞閾值可達400 J/m2。更為重要的是，它在多達10,000次的循環拉伸下，性能穩定，并且在應變速率范圍為0.02 s?1至0.35 s?1的范圍內，力致變色性能始終穩定。這種具有優越抗疲勞特性且對應變率不敏感的力致變色軟材料，非常適合用于需要長期承受動態負載的觸覺傳感領域。

圖1. 抗疲勞力致變色水凝膠的分子設計

如圖二所示，基于力致變色水凝膠的觸覺傳感器采用反射光彈性原理，通過一種不透明、應變不敏感且對波長不敏感的可拉伸反射膜，進而實現將相機和光源安置在同一側，從而精準采集接觸表面的應力圖像。該傳感器設計緊湊，尺寸靈活可調，并且能夠輕松集成到各種機器人系統中。通過對不同幾何形狀、機械模量以及放置角度的物體進行壓痕測試，傳感器采集到的圖像能夠輕松區分物體的幾何形狀、空間位置、施加的壓力以及材料的軟硬度。與ABAQUS仿真結果對比顯示，傳感器采集的圖像無需復雜數據處理，便能反映接觸面的應力分布。該觸覺傳感器不僅結構簡單、成本低廉，且采集的圖像包含豐富的應力信息。這種基于視覺的觸覺傳感器，融合了軟材料設計、光學系統工程和觸覺機器人技術所構建的多學科優勢，為突破現有機器人感知與操作能力極限提供了基礎工具，是下一代觸覺傳感器的理想選擇。

圖2. 抗疲勞力致變色水凝膠的分子設計在觸覺機器人領域的應用 軟材料領域：這項工作揭示了一種基于理論指導的聚合物分子設計新策略，以協調軟材料的機械性能和光學特性。 軟體機器人領域：這項工作報告了一種全新的基于視覺的觸覺機器人，以填補機器人觸覺感知與人類觸覺感知之間的關鍵差距。 觸覺感知領域：這項工作提供了一種跨學科的基礎工具，有助于為觸覺感知的生物學機制提供新的科學見解。

來源：高分子材料科學

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