中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院、人形機(jī)器人研究院王洪波研究員課題組聯(lián)合韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系Unyong Jeong教授團(tuán)隊(duì)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張世武教授、馮志華教授，提出了一種基于磁性薄膜貫穿裂紋的新一代電感式雙向曲率柔性傳感器，其能夠檢測(cè)0.01°的微小彎曲變形，并在汽車多次碾壓和破損等情況下保持性能不變，為真實(shí)世界中的機(jī)器人精準(zhǔn)感知開辟了新路徑。成果以“Magnetic crack-based piezoinductive mechanical sensors: way to extreme robustness and ultra-sensitivity”為題發(fā)表在國際期刊《自然·通訊》(Nature Communications)上。

面向機(jī)器人在復(fù)雜場(chǎng)景作業(yè)的觸覺感知需求，柔性傳感器需要滿足高靈敏度、寬檢測(cè)范圍、高速響應(yīng)，并同時(shí)具備良好的機(jī)械耐久性、長期穩(wěn)定性（無疲勞或性能退化）以及制造一致性。近年來，柔性傳感器領(lǐng)域的研究發(fā)展非常迅速，但研制同時(shí)滿足上述要求的柔性傳感器仍然是一大挑戰(zhàn)。

圖1.磁裂紋電感傳感器（MC-PIS）的工作機(jī)理及其獨(dú)特性

基于“磁場(chǎng)可以穿過空氣間隙”這一物理基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出一種基于貫穿裂紋磁阻調(diào)制的新興敏感機(jī)理，實(shí)現(xiàn)磁性裂紋電感傳感器(MC-PIS)的機(jī)器人感知新路徑（圖1）。將商用鐵氧體薄膜卷繞在圓柱棒上即可形成隨機(jī)分布的貫穿裂紋。該磁性裂紋薄膜的磁阻隨著裂紋間隙而變化，當(dāng)薄膜受壓應(yīng)力時(shí)磁阻減小，受拉應(yīng)力時(shí)磁阻增大。通過將一個(gè)柔性平面線圈貼在裂紋鐵氧體薄膜的下方即可檢測(cè)其在變形下的微小磁阻變化，實(shí)現(xiàn)雙向彎曲傳感。該電感式柔性雙向彎曲傳感器可在-200°至327°的范圍內(nèi)檢測(cè)低至0.01°的微小彎曲變形，并具有響應(yīng)速度快、無遲滯、長期穩(wěn)定性高，制造一致性好等特性。

圖2.基于MC-PIS的柔性帶實(shí)時(shí)形狀監(jiān)測(cè)

為了驗(yàn)證該傳感器在真實(shí)世界場(chǎng)景下準(zhǔn)確感知微小變形的能力，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于16個(gè)MC-PIS單元的自感知柔性帶（圖2）。無需任何數(shù)據(jù)收集訓(xùn)練或者復(fù)雜算法，基于簡單的分段等曲率模型，該柔性帶的形狀可由MC-PIS傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確重建出來。該實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)了其在軟體連續(xù)體機(jī)器人或醫(yī)療導(dǎo)管的形狀感知等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

圖3.MC-PIS在軟體機(jī)器人方面的應(yīng)用

由于MC-PIS具有極高的分辨率和穩(wěn)定性，集成該傳感器的仿生柔性手指能夠?qū)崿F(xiàn)非常細(xì)膩的觸覺感知。該仿生手指滑過透明膠帶的表面時(shí)可感知膠帶的形狀并識(shí)別“端頭”的位置，與桌面接觸時(shí)能夠檢測(cè)音樂引起的微小振動(dòng)并準(zhǔn)確區(qū)分不同的音調(diào)（圖3）。此外，MC-PIS還可為柔性夾爪提供多模態(tài)觸覺感知，賦能機(jī)器人自主植樹的多個(gè)作業(yè)任務(wù)。在整個(gè)機(jī)器人植樹過程中，兩個(gè)MC-PIS傳感器為各操作任務(wù)提供了實(shí)時(shí)的觸覺信號(hào)。即使在反復(fù)接觸并摩擦土壤和石塊后，傳感器始終未出現(xiàn)輸出漂移或性能退化，表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性與可靠性。（圖3c）

工程科學(xué)學(xué)院精密機(jī)械與精密儀器系博士生彭玉連、王正巖，特任副研究員吳后平為論文第一作者。工程科學(xué)學(xué)院、人形機(jī)器人研究院王洪波研究員，韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)Unyong Jeong教授為論文通訊作者。論文的合作者還包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院張世武教授，馮志華教授等。該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國科學(xué)院引才計(jì)劃青年項(xiàng)目和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高層次人才引進(jìn)計(jì)劃的支持。