浙大趙朋/張承謙課題組 Adv. Mater.：三軸解耦磁-力感知功能器件
生物進化產(chǎn)生了具有多種感知功能的感覺器官，使其能夠感知環(huán)境信息和追捕獵物，從而提高在各種環(huán)境下的生存能力。其中，對多維度機械力的觸覺感知能力使人類等動物可以完成復(fù)雜的操作任務(wù)，因此，各種各樣的仿生觸覺傳感器在柔性電子、人機交互和人工智能等領(lǐng)域得到應(yīng)用。近年來，基于磁場的觸覺傳感器僅靠單傳感器就實現(xiàn)了多維度力感知，其發(fā)展?jié)摿Φ玫搅藦V泛關(guān)注，但現(xiàn)有研究也只能實現(xiàn)二維解耦感知或者是依靠大量的標(biāo)定和機器學(xué)習(xí)實現(xiàn)三維力感知，裝配過程中的微小偏移即會失效，限制了磁觸覺傳感器的應(yīng)用拓展。
針對上述問題，浙江大學(xué)趙朋教授/張承謙博士課題組報道了一種具有三維力解耦感知能力的磁觸覺傳感器。通過建立三維力-磁場解耦理論模型，開發(fā)了高穩(wěn)定的柔性磁體向心磁化設(shè)計與折疊充磁方法，使得該磁觸覺傳感器僅依靠單霍爾傳感器即可實現(xiàn)對三軸力的解耦感知。該工作還充分利用磁場無線傳輸?shù)奶攸c對傳感器進行了分體式設(shè)計，并開展了水下流速感知的拓展應(yīng)用，展示了在封閉或者密封性要求極高的環(huán)境下實現(xiàn)流場感知的應(yīng)用優(yōu)勢。相關(guān)研究成果以“Split-type magnetic soft tactile sensor with three-dimensional force decoupling”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上并入選了當(dāng)期彩頁推薦（Frontispiece），浙江大學(xué)機械工程學(xué)院趙朋教授和交叉力學(xué)中心張承謙博士為論文共同通訊作者，碩士生戴煌哲和張承謙博士為論文共同第一作者，論文作者團隊成員均來自浙江大學(xué)流體動力基礎(chǔ)件與機電系統(tǒng)全國重點實驗室。
本文傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖1a所示，與皮膚和魚類側(cè)線的分層結(jié)構(gòu)一致，磁觸覺傳感器也分為磁膜、柔性層和霍爾傳感器三層。具有向心磁化設(shè)計的磁膜是傳感器的關(guān)鍵組成部分，也是實現(xiàn)三維解耦的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，由釹鐵硼（NdFeB）硬磁顆粒和彈性體基質(zhì)組成（圖1b），通過折疊成箭簇狀在線圈中實現(xiàn)向心磁化，其下方的磁場分布（圖1c和d）可與所提出的三維解耦理論結(jié)果保持一致。磁場三維結(jié)構(gòu)理論模型在文章補充材料中有詳細論述。最終傳感器可以實現(xiàn)如圖1e所示的三維力解耦精確感知。
圖1 傳感器的基本結(jié)構(gòu)和功能
傳感器的解耦原理與具有不同剛度基底的傳感器的標(biāo)定結(jié)果如圖2所示，傳感器所產(chǎn)生的三維磁場信號通過解耦模型解耦為三個解耦參數(shù)Rx、Ry和Sz，每個解耦參數(shù)僅隨其所在軸的磁膜位移變化而產(chǎn)生變化，不受磁膜其他軸位移的影響因此相互獨立，例如解耦參數(shù)Rx僅隨磁膜的x軸位移變化而變化，磁膜的y軸位移和z軸位移不影響Rx值的大小。所以三軸解耦參數(shù)分別與磁膜三軸位移獨立相關(guān)，也即與傳感器所受三軸力獨立相關(guān)。在進行基底的力-位移標(biāo)定（圖2g、h、i）后，傳感器即可實現(xiàn)三維力的解耦感知，如視頻1所示，三維力解耦感知能力媲美商用的多傳感單元集成的三維傳感器。
圖2 傳感器解耦原理與不同基底的磁-力標(biāo)定
團隊將傳感器集成在二指機械手上（圖3c和d），通過感知抓握對象帶來的剪切力來調(diào)整機械手抓握力的大小，從而使機械手可以自適應(yīng)抓握質(zhì)量變化的物體或者自適應(yīng)外界的干擾力，抓握力在不至于太小使物體滑落的同時抓握力不至于太大損傷抓握對象，展示了三軸力感知在自適應(yīng)抓握方面的應(yīng)用。另外，團隊也嘗試了人機接口的應(yīng)用（圖3e和f），將傳感器作為可以感知三維力的線性搖桿，將手指的作用力實時映射為機器人的運動速度和機械臂的動作，遙控機器人實現(xiàn)物體搬運的任務(wù)。
圖3 自適應(yīng)抓握與搖桿操控應(yīng)用
磁觸覺傳感器的另一個優(yōu)勢是其磁場信號無線傳輸?shù)奶攸c，團隊針對這一特點拓展了傳感器的應(yīng)用范圍，將其用于封閉環(huán)境和水下流場信息的感知。如圖4a和b所示，仿照魚類側(cè)線的基本結(jié)構(gòu)特化了傳感器的剪切感知能力（約38倍），在優(yōu)化柵格結(jié)構(gòu)后（圖4c）實現(xiàn)了管道內(nèi)的流速測量（圖4d和e）。
圖4 剪切感知特化實現(xiàn)流速感知
最后，團隊將傳感器分體式集成在小船底部，無需任何穿孔引線的步驟，將傳感器的流速感知能力和三維地磁場的感知能力結(jié)合，實現(xiàn)船只運動位移和方向的感知計算（圖5）。遙控小船在水中按“ZJU”的路線移動，根據(jù)傳感器的信號即可計算得到小船的運動軌跡，從而實現(xiàn)小船在一定空間范圍內(nèi)的“導(dǎo)航”。
圖5 流速測量的導(dǎo)航應(yīng)用
綜上，該論文報道了一種具有三維力解耦感知能力的磁觸覺傳感器，通過建立三維解耦理論模型、開發(fā)向心充磁方式實現(xiàn)了三軸解耦的力觸覺感知，并利用磁傳感無線傳輸?shù)奶攸c實現(xiàn)傳感器的分體式流速感知與導(dǎo)航應(yīng)用。該傳感方案使觸覺傳感器具有媲美人類皮膚的感知維度，解耦方法使得即使磁體在裝配過程中發(fā)生偏移依舊無需對傳感器進行重新標(biāo)定，大大提高其批量生產(chǎn)與應(yīng)用的能力，而且，充分展示了其在機器人仿人觸覺感知、人機交互等領(lǐng)域以及深海極端環(huán)境下流場感知的應(yīng)用潛力。
該工作是團隊近期關(guān)于磁性功能器件設(shè)計與成形制造相關(guān)研究的最新進展之一，得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、浙江省自然科學(xué)基金等項目的大力支持。近年來，磁功能器件因其響應(yīng)快、無線傳輸?shù)奶匦允艿搅藦V泛關(guān)注，團隊采用折紙工藝制備了柔性磁驅(qū)動功能器件（Nano Energy, 2021, 89, 106424.），實現(xiàn)了二維結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)的形態(tài)轉(zhuǎn)變以及單功能向多功能的驅(qū)動轉(zhuǎn)變。隨后，團隊利用磁化設(shè)計方法結(jié)合空間磁場分布建模，制備了大面積柔性觸覺功能器件(ACS Nano, 2022, 16 (11), 19271-19280.)，依靠單磁傳感器實現(xiàn)了大面積力-位置感知。團隊在磁場輔助增材制造磁功能器件方面的工作（Adv. Funct. Mater., 2021, 31 (34), 2102777、Mater. Design, 2023, 112588.）也為后續(xù)高性能磁功能器件的形性一體化制造奠定了良好基礎(chǔ)。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202310145
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