智能機(jī)器人執(zhí)行超精細(xì)操作任務(wù)時(shí),如何在復(fù)雜環(huán)境中通過觸覺辨別細(xì)微壓力(如流體環(huán)境)是一項(xiàng)亟待解決的技術(shù)瓶頸。盡管高靈敏度柔性觸覺傳感器已有大量研究報(bào)告,但由于柔性傳感器易受到本征噪聲的限制,在實(shí)際應(yīng)用中的壓力分辨率水平仍難以滿足需求。

近日,中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院研究團(tuán)隊(duì)受人體指尖默克爾細(xì)胞啟發(fā),提出一種共形石墨烯納米墻-六方氮化硼-石墨烯(CGNWs-hBN-Gr)準(zhǔn)二維垂直隧穿觸覺傳感器,利用hBN隧穿通道模擬PZ蛋白的生物機(jī)械門控離子通道,通過微納米多尺度力敏界面實(shí)現(xiàn)了原子層間隧穿電流的宏觀調(diào)控。

此外,hBN蓋層和隧穿效應(yīng)可有效抑制陷阱電荷,從而降低器件1/f噪聲。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,該傳感器靈敏度高達(dá)1.99×106?kPa-1,在10 Hz頻率下的噪聲功率譜密度僅為2.2×10-24?A2/Hz,噪聲等效壓力(NEPr)低至7.96×10-3?Pa,信噪比高達(dá)68.76 dB。研究團(tuán)隊(duì)建立了機(jī)器人指尖液體識別系統(tǒng),通過對比COMSOL仿真與實(shí)際測試數(shù)據(jù),捕捉到液體接觸過程中的微動態(tài)特征,配合過渡感知上下文注意力網(wǎng)絡(luò)(TacAtNet)模型,實(shí)現(xiàn)不同溶液甚至同一溶液的不同濃度的識別,在不同濃度的酒精(0%、25%、50%、75% 和 99%)中識別率高達(dá)98.1%。

該項(xiàng)技術(shù)增強(qiáng)了機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的感知能力,為下一代機(jī)器人的先進(jìn)應(yīng)用提供了保障。

相關(guān)研究成果以Superlow-Noise Quasi-2D Vertical Tunneling Tactile Sensor for Fine Liquid Dynamic Recognition為題,發(fā)表在ACS Nano上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。

仿生觸覺傳感結(jié)構(gòu)和感知過程