【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院、人形機(jī)器人研究院王洪波研究員課題組，提出了一種基于仿魚鱗結(jié)構(gòu)電場(chǎng)調(diào)控的新型巨壓容傳感器(GPCS)，能夠?qū)崿F(xiàn)接近人類手指水平的高精度觸覺感知。該傳感器不僅能夠識(shí)別微米級(jí)表面紋理，還可在機(jī)器人抓取過程中實(shí)時(shí)判斷獼猴桃成熟度，并完成自動(dòng)分揀與人機(jī)交互任務(wù)，為機(jī)器人在復(fù)雜真實(shí)環(huán)境中的精細(xì)操作與智能感知提供了新路徑。成果以“Fish‐Scale‐Inspired Giant Piezocapacitive Sensors for Human‐Level Touch Perception”為題發(fā)表在Wiley旗下國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)上。
 

　　面向機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境下的精細(xì)操作需求，柔性傳感器需要同時(shí)具備高靈敏度、寬檢測(cè)范圍、高速響應(yīng)、優(yōu)異機(jī)械耐久性以及易于制造等特點(diǎn)。然而，目前大多數(shù)柔性電容傳感器仍難以兼顧上述性能，尤其在復(fù)雜形變感知、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和多模態(tài)觸覺識(shí)別方面存在明顯限制。
 

　　受魚類皮膚“剛性鱗片—柔性真皮”結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種仿魚鱗電場(chǎng)調(diào)控膜(SEGF)。該結(jié)構(gòu)由高介電常數(shù)的PZT剛性鱗片與柔性硅膠基底組成，鱗片之間形成微米級(jí)空氣間隙。這些空氣間隙可作為“電場(chǎng)門”，在微小形變下動(dòng)態(tài)調(diào)控叉指電極之間的邊緣電場(chǎng)，從而將極其細(xì)微的機(jī)械變形轉(zhuǎn)化為顯著的電容變化，實(shí)現(xiàn)“巨壓容效應(yīng)”?；谠摍C(jī)制構(gòu)建的GPCS傳感器在±90°彎曲范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)低至0.005°的超高分辨率，響應(yīng)時(shí)間僅為0.6 ms，并在10萬次循環(huán)彎曲測(cè)試后仍保持穩(wěn)定性能。相比傳統(tǒng)叉指電極結(jié)構(gòu)，其彎曲靈敏度提高了177倍，同時(shí)兼具優(yōu)異的機(jī)械魯棒性，即使局部結(jié)構(gòu)損傷后仍能夠正常工作。
 

　　得益于超高靈敏度和高速響應(yīng)能力，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將GPCS集成于柔性仿生手指上，實(shí)現(xiàn)了基于滑動(dòng)觸覺的表面紋理感知。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅能夠檢測(cè)不同高度和周期的微結(jié)構(gòu)表面，還能夠識(shí)別厚度僅為1.8μm的打印碳粉紋理，其精度已超過人類手指的觸覺分辨能力。此外，研究團(tuán)隊(duì)利用單個(gè)GPCS柔性指尖實(shí)現(xiàn)了16種不同織物紋理的準(zhǔn)確區(qū)分。不同織物在滑動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的電容響應(yīng)“觸覺指紋”，通過簡(jiǎn)單的時(shí)域與頻域特征分析即可完成材料識(shí)別。
 

　　為了驗(yàn)證其在機(jī)器人實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用潛力，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將4個(gè)GPCS組成陣列并集成于柔性夾爪中，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人抓取過程中的獼猴桃成熟度識(shí)別。由于不同成熟度水果具有不同硬度，夾爪在抓取時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同程度的形變，而這些細(xì)微變化能夠被GPCS實(shí)時(shí)感知?；趥鞲袛?shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，系統(tǒng)對(duì)獼猴桃成熟度的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到92%。在演示實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人能夠自主完成“抓取—感知—分類—遞送”等連續(xù)任務(wù)：未成熟和半成熟獼猴桃被自動(dòng)放入對(duì)應(yīng)區(qū)域，而成熟獼猴桃則能夠在人手接觸后自動(dòng)遞送給使用者，實(shí)現(xiàn)自然的人機(jī)交互。
 

　　工程科學(xué)學(xué)院精密機(jī)械與精密儀器系博士生彭玉連為論文第一作者。工程科學(xué)學(xué)院、人形機(jī)器人研究院王洪波研究員為論文通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，中國(guó)科學(xué)院引才計(jì)劃青年項(xiàng)目，安徽省科技創(chuàng)新攻堅(jiān)計(jì)劃重大項(xiàng)目，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)高層次人才引進(jìn)計(jì)劃以及中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)的支持。
 

　　近年來，該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于裂紋電磁參數(shù)調(diào)控的超高靈敏、魯棒性柔性傳感器設(shè)計(jì)體系。相關(guān)研究為下一代智能柔性傳感器在機(jī)器人觸覺、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。團(tuán)隊(duì)首先提出了一種基于磁性薄膜貫穿裂紋的新一代電感式雙向曲率柔性傳感器，其能夠檢測(cè)0.01°的微小彎曲變形，并在汽車多次碾壓和破損等情況下保持性能不變，為真實(shí)世界中的機(jī)器人精準(zhǔn)感知開辟了新路徑。成果以“Magnetic crack-based piezoinductive mechanical sensors: way to extreme robustness and ultra-sensitivity”為題發(fā)表在Nature Communications。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)利用該傳感器實(shí)現(xiàn)了針對(duì)柔性氣動(dòng)手指形狀的實(shí)時(shí)重建和力反饋，并用于脆弱物體的實(shí)時(shí)智能抓取上。成果以“Shape and Tactile Perceptions of Soft Fingers via Distributed Curvature Sensing for Intelligent Grippers”為題發(fā)表在Soft Robotics。
 

　　引用：中國(guó)科大研制仿魚鱗巨壓容傳感器 助力機(jī)器人實(shí)現(xiàn)“類人觸覺”感知 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)【引用時(shí)間：2026年06月01日】