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中山大學(xué)付俊教授團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.：低遲滯、耐高低溫的有機(jī)水凝膠人工觸覺(jué)

2024-09-12 來(lái)源：高分子科技

機(jī)器觸覺(jué)系統(tǒng)在智能機(jī)器人等領(lǐng)域有十分重要的應(yīng)用前景。基于柔性傳感陣列的人工觸覺(jué)是機(jī)器觸覺(jué)領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)研究方向。基于水凝膠的應(yīng)力應(yīng)變傳感器具有柔軟可拉伸、仿形度高、貼附性好等優(yōu)點(diǎn)，可感知力、溫度等刺激，成為近年來(lái)柔性仿生人工觸覺(jué)研究的熱點(diǎn)。然而，水凝膠受熱易失水、受凍易結(jié)冰，在高低溫等惡劣環(huán)境下工作時(shí)，往往會(huì)喪失傳感性能和機(jī)械性能；在長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)載荷下，水凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)易破壞，導(dǎo)致機(jī)械性能遲滯(Hysteresis)現(xiàn)象，使得傳感信號(hào)延遲和失真。因此，研究和開(kāi)發(fā)低遲滯、耐高低溫的凝膠材料，使其在高低溫環(huán)境中保持穩(wěn)定的可拉伸性、韌性以及傳感特性，是仿生柔性人工機(jī)器觸覺(jué)研究和發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

中山大學(xué)付俊教授和周業(yè)成副教授合作研究了耐高低溫、低遲滯的有機(jī)水凝膠，構(gòu)建穩(wěn)定的柔性應(yīng)力應(yīng)變傳感器，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，賦予機(jī)械手人工觸覺(jué)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)感知和物體抓握識(shí)別。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種半互穿網(wǎng)絡(luò)有機(jī)水凝膠，以甘油和水作為二元溶劑，將導(dǎo)電聚苯胺鏈穿插于聚（丙烯酰胺-丙烯酸）共聚網(wǎng)絡(luò)中（圖1a），剛性聚苯胺鏈與柔性聚（丙烯酰胺-丙烯酸）網(wǎng)絡(luò)通過(guò)π-π作用、靜電作用、氫鍵作用等相互連結(jié)，達(dá)到“剛?cè)嵯酀?jì)”的增強(qiáng)增韌效果。凝膠可承受90%以上的壓縮而不破碎，壓縮韌性高達(dá)1.58 MJ m^-3（圖1d）。凝膠的拉伸強(qiáng)度可達(dá) 92 kPa，斷裂應(yīng)變482%。基于非共價(jià)作用的互穿網(wǎng)絡(luò)協(xié)同變形，有效耗散機(jī)械加載過(guò)程中產(chǎn)生的能量；卸載時(shí)，網(wǎng)絡(luò)變形迅速恢復(fù)，過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)幾乎不破壞，因而在循環(huán)加載過(guò)程中，加載曲線和卸載曲線幾乎重合，滯回環(huán)極小（圖1b, 1c），經(jīng)過(guò)1000周次壓縮循環(huán)加載卸載，凝膠的遲滯系數(shù)低于3.13%。與文獻(xiàn)報(bào)道的高性能凝膠相比，該團(tuán)隊(duì)研制的有機(jī)水凝膠兼?zhèn)涓邚?qiáng)韌、低遲滯性能（圖1e），解決了水凝膠強(qiáng)韌性與低遲滯性難以兼得的難題，對(duì)于研制高性能、高魯棒性的凝膠傳感器有非常重要的意義。

圖1 低遲滯高韌性有機(jī)水凝膠的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

聚苯胺鏈貫穿于凝膠網(wǎng)絡(luò)中，賦予凝膠較高的導(dǎo)電能力，電導(dǎo)率可達(dá)0.27 S/m （圖2a）。在拉伸變形過(guò)程中，聚苯胺鏈滑移，凝膠的電導(dǎo)率/電阻率發(fā)生變化，在較寬的應(yīng)變范圍內(nèi)呈線性傳感特性（圖2b）。在壓力作用下，凝膠在低應(yīng)力區(qū)呈現(xiàn)高靈敏度（35.1 MPa^-1），在高應(yīng)力下呈現(xiàn)低靈敏度（圖2c）。重要的是，在循環(huán)加載中，由于凝膠的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保存完好，其低遲滯特性也賦予凝膠基傳感器優(yōu)異的傳感魯棒性。在1000次循環(huán)拉伸（100%應(yīng)變，圖2d）和壓縮（20%應(yīng)變，圖2e）測(cè)試中，傳感信號(hào)呈高線性度，且不衰減或漂移。

圖2 有機(jī)水凝膠的應(yīng)變和應(yīng)力傳感靈敏度和穩(wěn)定性。

該凝膠采用甘油-水二元溶劑體系，顯著降低了冰點(diǎn)和蒸汽壓，使有機(jī)水凝膠在低溫下不結(jié)冰、高溫下幾乎不失水。DSC研究結(jié)果表明，凝膠在-100°C~0°C范圍凝膠不結(jié)冰。在60°C，凝膠的保水率達(dá)60%以上。因此，在-18 °C和60 °C環(huán)境下，凝膠保持優(yōu)異的柔韌性（圖3a,b）和應(yīng)力應(yīng)變傳感性能；循環(huán)拉伸100次，凝膠傳感基線和信號(hào)保持穩(wěn)定（圖3c,d）。

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究了凝膠傳感器在連續(xù)變溫環(huán)境下（-18 °C，20 °C和60 °C）的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。將傳感器在20 °C環(huán)境中連續(xù)循環(huán)加載卸載24小時(shí)（1800次，應(yīng)變100%），所監(jiān)測(cè)的信號(hào)峰高度線性且穩(wěn)定。然后將該傳感器置于-18 °C，循環(huán)加載卸載1800次（應(yīng)變100%，持續(xù)24小時(shí)），盡管低溫導(dǎo)致電導(dǎo)率、傳感靈敏度、傳感信號(hào)峰值有所下降，傳感器仍然保持結(jié)構(gòu)完整、性能穩(wěn)定。繼續(xù)將傳感器置于60 °C環(huán)境，循環(huán)加載卸載1800次（應(yīng)變100%，持續(xù)24小時(shí)），傳感性能保持穩(wěn)定。重復(fù)上述變溫操作，持續(xù)七天，全過(guò)程中傳感信號(hào)基線不漂移，凝膠結(jié)構(gòu)和傳感信號(hào)保持穩(wěn)定，表現(xiàn)出非常出色的耐高低溫性能。

圖3 有機(jī)水凝膠在高低溫環(huán)境中保持優(yōu)異的柔性和傳感魯棒性。

該團(tuán)隊(duì)探索了有機(jī)水凝膠應(yīng)變和應(yīng)力傳感陣列在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)感知、手勢(shì)識(shí)別和抓握感知等方面的應(yīng)用。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在手指背安裝應(yīng)變傳感陣列（圖4a），每根手指的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致凝膠傳感器拉伸變形、電導(dǎo)率/電阻率變化，產(chǎn)生手指運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)（圖4b），信號(hào)強(qiáng)度反映了手指的彎曲程度，通過(guò)五個(gè)通道分別采集五根手指的運(yùn)動(dòng)，綜合分析信號(hào)特征，可識(shí)別機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和手勢(shì)（圖4c）。

另一方面，在指肚和指節(jié)處分布應(yīng)力傳感器陣列，輔助機(jī)械手“感知”抓握對(duì)象的力學(xué)特征（圖4a）。當(dāng)機(jī)械手抓取物體時(shí)，壓力傳感器與物體首先接觸并擠壓，產(chǎn)生傳感信號(hào)，物體模量不同，產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度也不一樣；不同部位與物體接觸的程度不同，所反饋的信號(hào)也有差異（圖4d）。抓握不同軟硬的物體（如凝膠、硅橡膠、泡沫等），相應(yīng)的應(yīng)力傳感信號(hào)峰也顯著不同（圖4e）。

圖4 有機(jī)水凝膠應(yīng)變和應(yīng)力傳感陣列用于機(jī)械手運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和物體感知。

基于上述研究結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)結(jié)合線性回歸的機(jī)器學(xué)習(xí)模型實(shí)現(xiàn)了仿生機(jī)器觸覺(jué)，用于輔助“識(shí)別”機(jī)械手抓握物體的形狀。首先，在機(jī)械手背安裝應(yīng)變傳感器陣列，通過(guò)五通道分別采集各手指的運(yùn)動(dòng)狀況（圖5a）。以球、圓錐和長(zhǎng)方體等規(guī)則形狀的物體為研究和訓(xùn)練模型，采集機(jī)械手在抓取物體時(shí)的傳感信號(hào)，并與相應(yīng)的手勢(shì)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)抓握時(shí)的手勢(shì)反映物體的形狀，用于訓(xùn)練線性回歸模型（圖5b）。經(jīng)大量測(cè)試數(shù)據(jù)訓(xùn)練后，線性回歸模型可識(shí)別機(jī)械手所抓握物體的形狀（圖5c）。在15000次的物體抓握模擬中，模型對(duì)球、圓錐和長(zhǎng)方體的識(shí)別準(zhǔn)確率均為100%（圖5d）。

圖5 機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的人工觸覺(jué)用于物體形狀識(shí)別。

該研究工作通過(guò)簡(jiǎn)單的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得了高強(qiáng)韌、低遲滯的有機(jī)水凝膠，解決了水凝膠易失水、易結(jié)冰、結(jié)構(gòu)破壞而導(dǎo)致喪失性能的難題，使有機(jī)水凝膠傳感器能夠在高低溫下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，初步驗(yàn)證了基于該凝膠構(gòu)建人工觸覺(jué)的可能性，為研制高性能、長(zhǎng)壽命人工機(jī)器觸覺(jué)、推動(dòng)其在新一代智能機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的思路。

該項(xiàng)研究以“Flexible Artificial Tactility with Excellent Robustness and Temperature Tolerance Based on Organohydrogel Sensor Array for Robot Motion Detection and Object Shape Recognition”為題發(fā)表在Advanced Materials。文章的第一作者是中山大學(xué)2021級(jí)博士研究生陳國(guó)旗，付俊教授和周業(yè)成副教授為共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（22375225）的支持。

全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202408193

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（責(zé)任編輯：xu）

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