柔性水下觸覺傳感器可隨機(jī)械手靈活彎曲，和剛性機(jī)械手構(gòu)成“剛?cè)岵?jì)”的類人結(jié)構(gòu)，因此能夠 “類人化”感知目標(biāo)物的表面紋理、模量、形狀等多維物理信息，是保障無人水下機(jī)器人作業(yè)自主作業(yè)的關(guān)鍵器件之一。根據(jù)信號產(chǎn)生的機(jī)理，柔性水下傳感器可分為外供電和自驅(qū)動兩種類型，具有靈敏度高、可拉伸性強(qiáng)、檢測范圍廣和響應(yīng)速度快等優(yōu)勢。然而，由外部電源供電的水下柔性傳感器在高靜水壓環(huán)境下會因密封性差、結(jié)構(gòu)失效和功能退化等問題而嚴(yán)重阻礙了其在深海中的應(yīng)用。目前，在深水物體抓取領(lǐng)域中，耐高壓、耐浸泡、高靈敏度和高載荷檢測的柔性自驅(qū)動水下觸壓定位傳感器的開發(fā)仍是一個挑戰(zhàn)。
基于此，大連海事大學(xué)宋永欣教授團(tuán)隊報道了一種新型的基于多孔TPU（熱塑性聚氨酯彈性體，Thermoplastic Polyurethane）薄膜的自驅(qū)動水下觸壓定位傳感器，該傳感器以金屬薄膜作為電極，多孔的TPU薄膜作為傳感器主體。該傳感器利用不同電性的離子在多孔薄膜中的移動速度差從而產(chǎn)生離子電流的原理，實現(xiàn)了在高靜水壓下的觸壓定位。實驗結(jié)果表明，電流信號的大小隨施加壓力、接觸面積和溶液離子濃度的增大而增大，電流信號的方向和大小取決于壓在薄膜上的位置，電流信號的強(qiáng)度隨距離薄膜中心越近而減小，最大壓力靈敏度和定位分辨率分別為0.62 kPa-1 和1.31 mm，響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別為0.19s和0.67s，壓力檢測范圍為50-600 kPa，當(dāng)傳感器放置在水下100m的模擬深度時，觸壓信號幅值僅下降了15.53%，此外，經(jīng)過NaCl溶液中浸泡6個月以及進(jìn)行超過1500次工作循環(huán)，傳感器仍能夠可靠的工作。這項工作為開發(fā)面向深海應(yīng)用的柔性水下觸覺傳感器及其物體自主抓取提供了新思路。相關(guān)工作以“Self-Powered Underwater Pressing and Position Sensing and Autonomous Object Grasping with a Porous Thermoplastic Polyurethane Film Sensor”為題發(fā)表在最新一期國際學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》上，文章第一作者為王全玉博士，通訊作者為大連海事大學(xué)宋永欣教授和加拿大滑鐵盧大學(xué)李冬青教授，該研究得到國家自然科學(xué)基金的支持。
圖1. 柔性自驅(qū)動水下多孔TPU薄膜觸壓和定位傳感器的試驗系統(tǒng)、工作原理圖和試驗裝置圖
多孔TPU薄膜內(nèi)部存在復(fù)雜的連通孔，且孔間存在納米尺度的間距，當(dāng)不同尺寸的離子通過孔時，離子在壓力的驅(qū)動作用下因尺寸不同導(dǎo)致的離子移動速度不同形成了離子濃度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生了離子電流。
圖2. 標(biāo)注按壓區(qū)域P1-P6（a）和電流信號隨按壓位置的變化趨勢（b）
圖3. 模擬深海觸壓試驗系統(tǒng)（a）和電流信號隨靜水壓（深度）變化曲線（b和c）
圖4. 浸泡10天/6個月的多孔TPU薄膜傳感器性能比較（a）和在600kPa高載荷超過1500次的循環(huán)耐久性試驗（b）
基于模擬深海高壓試驗艙設(shè)備，試驗得到了電流信號與靜水壓之間的關(guān)系曲線，試驗結(jié)果表明，電流幅值隨靜水壓的增加而減小，電流幅值衰減率為15.53%，其影響可忽略不計。同時，通過實驗可知，在靜水壓為1 MPa（水深100m）時，該多孔TPU薄膜傳感器仍然具備傳感和定位能力。對比了浸泡10天和6個月的多孔TPU薄膜傳感器的性能，試驗結(jié)果表明，傳感器的電流幅值由浸泡10天的32.45nA降低到浸泡6個月的31nA，電流幅值僅降低了4.5%，且在600kPa高載荷循環(huán)按壓超過1500次，傳感器性能沒有降低。
圖5. 多孔TPU薄膜傳感器在水下自主抓取中的應(yīng)用
多孔TPU薄膜傳感器實現(xiàn)了在水下對不同重量的物體的自主抓取，當(dāng)抓取較輕的物體時，物體和機(jī)械手之間無相對滑動，輕物被成功抓；當(dāng)抓取較重的物體時，若機(jī)械手和物體之間發(fā)生相對滑動，當(dāng)檢測到滑動信號后，機(jī)械手會再次抓緊物體，最終重物被成功抓取。
論文信息：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
