大连海事大学宋永欣教授团队 AFM：深海静压自平衡、自驱动式柔性触压传感器用于物体自主抓取

2024-03-04 来源：高分子科技

柔性水下触觉传感器可随机械手灵活弯曲，和刚性机械手构成“刚柔并济”的类人结构，因此能够 “类人化”感知目标物的表面纹理、模量、形状等多维物理信息，是保障无人水下机器人作业自主作业的关键器件之一。根据信号产生的机理，柔性水下传感器可分为外供电和自驱动两种类型，具有灵敏度高、可拉伸性强、检测范围广和响应速度快等优势。然而，由外部电源供电的水下柔性传感器在高静水压环境下会因密封性差、结构失效和功能退化等问题而严重阻碍了其在深海中的应用。目前，在深水物体抓取领域中，耐高压、耐浸泡、高灵敏度和高载荷检测的柔性自驱动水下触压定位传感器的开发仍是一个挑战。

基于此，大连海事大学宋永欣教授团队报道了一种新型的基于多孔TPU（热塑性聚氨酯弹性体，Thermoplastic Polyurethane）薄膜的自驱动水下触压定位传感器，该传感器以金属薄膜作为电极，多孔的TPU薄膜作为传感器主体。该传感器利用不同电性的离子在多孔薄膜中的移动速度差从而产生离子电流的原理，实现了在高静水压下的触压定位。实验结果表明，电流信号的大小随施加压力、接触面积和溶液离子浓度的增大而增大，电流信号的方向和大小取决于压在薄膜上的位置，电流信号的强度随距离薄膜中心越近而减小，最大压力灵敏度和定位分辨率分别为0.62 kPa^-1 和1.31 mm，响应时间和恢复时间分别为0.19s和0.67s，压力检测范围为50-600 kPa，当传感器放置在水下100m的模拟深度时，触压信号幅值仅下降了15.53%，此外，经过NaCl溶液中浸泡6个月以及进行超过1500次工作循环，传感器仍能够可靠的工作。这项工作为开发面向深海应用的柔性水下触觉传感器及其物体自主抓取提供了新思路。相关工作以“Self-Powered Underwater Pressing and Position Sensing and Autonomous Object Grasping with a Porous Thermoplastic Polyurethane Film Sensor”为题发表在最新一期国际学术期刊《Advanced Functional Materials》上，文章第一作者为王全玉博士，通讯作者为大连海事大学宋永欣教授和加拿大滑铁卢大学李冬青教授，该研究得到国家自然科学基金的支持。

图1. 柔性自驱动水下多孔TPU薄膜触压和定位传感器的试验系统、工作原理图和试验装置图

多孔TPU薄膜内部存在复杂的连通孔，且孔间存在纳米尺度的间距，当不同尺寸的离子通过孔时，离子在压力的驱动作用下因尺寸不同导致的离子移动速度不同形成了离子浓度梯度，进而产生了离子电流。

图2. 标注按压区域P₁-P₆（a）和电流信号随按压位置的变化趋势（b）

图3. 模拟深海触压试验系统（a）和电流信号随静水压（深度）变化曲线（b和c）

图4. 浸泡10天/6个月的多孔TPU薄膜传感器性能比较（a）和在600kPa高载荷超过1500次的循环耐久性试验（b）

基于模拟深海高压试验舱设备，试验得到了电流信号与静水压之间的关系曲线，试验结果表明，电流幅值随静水压的增加而减小，电流幅值衰减率为15.53%，其影响可忽略不计。同时，通过实验可知，在静水压为1 MPa（水深100m）时，该多孔TPU薄膜传感器仍然具备传感和定位能力。对比了浸泡10天和6个月的多孔TPU薄膜传感器的性能，试验结果表明，传感器的电流幅值由浸泡10天的32.45nA降低到浸泡6个月的31nA，电流幅值仅降低了4.5%，且在600kPa高载荷循环按压超过1500次，传感器性能没有降低。

图5. 多孔TPU薄膜传感器在水下自主抓取中的应用

多孔TPU薄膜传感器实现了在水下对不同重量的物体的自主抓取，当抓取较轻的物体时，物体和机械手之间无相对滑动，轻物被成功抓取；当抓取较重的物体时，若机械手和物体之间发生相对滑动，当检测到滑动信号后，机械手会再次抓紧物体，最终重物被成功抓取。

论文信息：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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（责任编辑：xu）

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